[技术]Czerny-Turner单色仪&光谱仪的仿真 [复制链接]

测量系统(MSY.0003 v1.1) `2G%&R,k"D  
-x>2Wb~%  
应用示例简述 &w^:nVgl  
0(A&m ,  
1.系统说明 nc#} \  
pEG!j ~  
 光源 _=I&zUF  
— 平面波(单色)用作参考光源 xl(R|D))  
— 钠灯(具有钠的双重特性) z{U^j:A
 
 组件 S$GWY^5}{  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Xh*NuHH  
 探测器 /jn0Xh  
— 功率 };>~P%u32  
— 视觉评估 ~8lB#NuN  
 建模/设计 t8~isuiK  
— 光线追迹：初始系统概览 %^;rYn3  
— 几何场追迹+(GFT+)： Rw!_j!  
 窄带单色仪系统的仿真 Xc
G   
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 6[a;83  
|Tk'H&  
2.系统说明 7)x788Z6  
+,4u1`c|$  
fvV5G,lD3h  
s)kr=zdyo  
3.系统参数 A+"'8%o9}  
$69d9g8-(!  
"Q1oSpF  
/+
?eSgM/  
R9~c: A4G  
4.建模/设计结果 &^F'ME  
(ZD~Q_O-  
p$,ZYF~  
poS=8mN8;  
总结 {$_Gjv  
zIc_'Z,b  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 "'I|#dKoG  
1. 仿真 ,y[w`Q\  
以光线追迹对单色仪核校。 k6|/ik9C  
2. 研究 AXPdgo6  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 XlxM
.;i0H  
3. 应用 |h2=9\:]  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 U%aDkC+M  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 j k/-7
/r  
V`"Cd?R0Z  
应用示例详细内容 i$XT Qr0K=  
系统参数 b'(Hwc\ t  
`s_k+ g  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 c/-PEsk_TP  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 1,pPLc(  
8MBvp*  
}?,Eb~q  
:}ZY*ind  
2. 系统参数 3q0S}<h al  
+}^^]J$Nh  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 'TDp%s*;  
lxtt+R  
E{IY7Xz^>  
\|C~VU@  
3. 说明：平面波(参考) uP2Wy3`V  
jFwJ1W;?-  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 )bK3%>H#  
ME'LZ"VT  
\m~Oaf;$  
t^g+nguz  
4. 说明：双线钠灯光源 O`0\f8/.?  
/3qKsv#  
XOPiwrg%p  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 kFQx7m  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 7G 3e  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 QT[4\)  
r5PZ=+F  
;~Q`TWC  
MZdj!(hO  
5. 说明：抛物反射镜 BYb"[qPV  
a- 7RJ.  
rVDOco+w  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 +pbP;zu  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 ZEG~ek=jM  
C$`^(?iO/  
dIk9C|-.  
co>IJzg  
[lE^0_+  
$!\Z_:  
6. 说明：闪耀光栅 U]O>DM^'  
6'jgjWEe3&  
4'H)h'#C  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 F2dwT  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 t7,**
$ST  
fY 10a_@x  
]N6
UY  
Bh()?{q  
:qtg`zM/4  
hj=k[t|g}  
7. Czerny-Turner 测量原理 Cuo"6, M  
ho}G]y  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 fTd":F  
HK`r9frn  
Kj#h9e  
Eg$Er*)h8  
=T#?:J#a  
8. 光栅衍射效率 :<xf'.  
ro18%'RRI  
#QiNSS  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 &IkHP/  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 \d QRQL{LL  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) )H%RwV#  
h`Xl~=
 
?)e6:T(  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd [q(}~0{"-  
{1'M76T  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 68nPz".X  
fILD
~  
L}>ts(!q&  
"_ON0._(/  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ._`?ZJ  
&8hW~G>(m  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 +(oExp(!  
}XRRM:B|)(  
QX+&[G!DZH  
[`bA,)y"  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 CA,2&v"  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 ^fti<Lw5  
c1g'l.XL 3  
应用示例详细内容 p?x]|`M  
x^y&
<tA  
仿真&结果 (o1o);AO  
Gvc/o$_  
1. 结果：利用光线追迹分析 `&SBp }W}  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 /.:&9 c  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 I<hMS6$<LE  
_sF Ad`  
T$tO[QR/  
!FeNx*31i  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd b&.3uls6  
_j|U>s   
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 {\ogw0X  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。
&e5,\TQ  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， V#V<Kz  
@|@6
pXR.  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 g HKA:j`c  

me@EKspX  
MDfC%2Q  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms iLf*m~Q  
[ejl #'*5  
3. 衍射效率的评估 0Yfz?:
e  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 {Ty?OZ  
;>jOB>b{h  
'#CYw=S+  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 saR9_ ux  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd y(jd$GM|  
T0K*!j}O  
4. 结果：衍射级次的重叠 It5n;,n  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 64f6D"."
 
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 4m6%HV8{}[  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 ia
yxN5,  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) \"$jj<gc  
 光栅方程： Vet<,;Te  
zA@w[.  
` NWmwmWB"  
 P'oY+#  
TJkWL2r0c  
5. 结果：光谱分辨率 pe-%`1iC0>  
WsR4)U/]v  
?,
FL"ye  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run OZE.T-{  
=+VI{~.|}  
6. 结果：分辨钠的双波段 {)& b6}2h  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 <"!'>ZUt  
   );fPir?+  
wKAxUPzm  
.KF(_ 92  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 qim|=  
)|<g\>/  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run ]H=P(Z-  
SW=%>XKkh  
7. 总结 'jBtBFzP-  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 _H$Z}2g<z  
1. 仿真 ph@2[rUp  
以光线追迹对单色仪核校。 UymhBh  
2. 研究 Cj#?Z7}z  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 #L xfE<^  
3. 应用 q4ej7T8  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 qgsw8O&  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 wI2fCq(a0
 
扩展阅读 u|\K kk  
1. 扩展阅读 r%^XOw<'  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 No(S#,vJ;  
7dXh,sD  
 开始视频 hVu~[ 'Me  
- 光路图介绍 ^j]"5@f  
- 参数运行介绍 E1Rz<&L  
- 参数优化介绍 ]8EkZC  
 其他测量系统示例： N"/be  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) wm/>_  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) <F+9#-