[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) VD36ce9  
n2(~r 'r)  
应用示例简述 : ]CZS  
TKRu^KH9  
1.系统说明 LsV!Sd  
QdC>fy  
 光源 zq{L:.#ha  
— 平面波(单色)用作参考光源 N^mY/`2  
— 钠灯(具有钠的双重特性) G;fP  
 组件 Q*mPU=<  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 P-^Z7^o-bX  
 探测器 c?<FMb3]  
— 功率 NwT3e&u%|  
— 视觉评估 J#:%| F%  
 建模/设计 z${B|  
— 光线追迹：初始系统概览 7|,5
;  
— 几何场追迹+(GFT+)： oB_{xu$6|  
 窄带单色仪系统的仿真 '7xmj:.==  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ,6a'x~y<r  
*<Qn)Az  
2.系统说明 P_&
2HA,I  
,a5I:V^\  
(U$ F) 7  
{CQA@p:Y}  
3.系统参数 FE$)[w,m  
Qs;bVlp!H  
YM
1@B`yWE  
/7P4[~vw  
+sgishqn9  
4.建模/设计结果 ^
P&y9dC.  
q'K=Ly+  
lv$tp,+  
z4{|?0=C  
总结 GbStqR~^#  
#1V vK  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 #{ `(;83  
1. 仿真 ||qsoF5B]  
以光线追迹对单色仪核校。 A5?[j QT0  
2. 研究 fS!%qr  
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。 ,pf<"^li  
3. 应用 bX5>qqB]  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 dk{yx(Ty  
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。 #W!@j"8eK  
'y;[ fwo7  
应用示例详细内容 Ov?k4kJ  
系统参数 AX]lMe  
%3z-^#B=  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 qjUQ2
d  
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。 &IOChQ`8P  
Cd6^aFoK!  
c5]^jUB6  

ivw2EEo,  
2. 系统参数 (B,CL222x  
":eHR}Hzx  
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。 R:i7Rb2C  
8~rD#8`6j  
`C] t2^  
oh#6>|  
3. 说明：平面波(参考) t[iE >  
!:rQ@PSy9  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 I^\YD9~=x  
obaJT"1  
\gj@O5rGP  
p0'A\@|  
4. 说明：双线钠灯光源 XP6R$0yN  
&W`yHQ"JY  
H.w
p{m{  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 Yz.[Cm
dX  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 V:My1R0  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 M<g>z6   
EV2whs2g  
65s|gfu/  
NaB8cLURp  
5. 说明：抛物反射镜 jIAl7aoY  
u -CY-  
C x$|7J=O  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ihf5`mk/$  
 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。 3EF|1B/5  
&[qLl  
.CrahV1G  
Q[`_Y3@j  
N;<<-`i  
+anNpy  
6. 说明：闪耀光栅 e!G I<  
##1[/D(  
dl(cYP8L  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 mcp}F|ws  
 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 ,MuLu,$/  
(lS&P"Xi  
1th|n  
B.0(}@  
3DMfR ofg  
'S
E%9
 
7. Czerny-Turner 测量原理 U#d&#",s  
@j5W4HU  
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。 5pE[}@-c9  
T~=NY,n  
5JIa?i>B  
Ny p5=  
:=UeYm @  
8. 光栅衍射效率 2O`uzT$  
{C|#<}1  
%L<VnY#%u  
 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。 .+|G`*1<i  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 Pm7,Nq)<>n  
 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) $zyY"yWRZ  
)?I1*(1{A  
"4&HxD8_ih  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd F+*: >@3  
AX<TkS@wjb  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 k]ptk^  
L8/o9N1  
Pm%ZzU  
ZTMzL%i  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 |Tf}8e  
kHm1aE<  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 86vk"  
b4S7Q"g  
Y>wpla[kUq  
zp,f}  
 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)。 z!D >l  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 ZRsDn  
P/,7CfyPd  
应用示例详细内容 S-Ryt>G  
?dC[VYC\^  
仿真&结果 8!4=j
  
fw|r{#d  
1. 结果：利用光线追迹分析 no)Sp
o'  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ,#`gwtFG  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 #xm<|s   
()}O|JL:K  
3Ey#?   
M!;H3*  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd EYcvD^!1g  
zPH1{|H+l  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 * j:  
 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)。 l/DV ?27  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， =_D82`
p  
rcOpOoU|  
 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。 I8 8y9sW  
V[rNJf1z  
Ej F<lw  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms )wCA8  
$_@~t$  
3. 衍射效率的评估 0$":W  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 `a3q)}*Y
 
OzX\s=  
~AS2$  
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。 {ylc2 1  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd %R7Q`!@8  
p%]*I?  
4. 结果：衍射级次的重叠 NA]7qb%%<  
 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。 ;]i&AAbj  
 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)。 ~ifq_Ag.  
 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。 7h&$^  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) V%<<Udu<  
 光栅方程： `(_cR@\  
slOki|p;  
i"F'n0*L  
|pqLwnOu  
e ! 6SJ7xC  
5. 结果：光谱分辨率 ^G~W}z?-  
n
&r-  
TEh]-x`  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run  !|9$  
5w@
;B  
6. 结果：分辨钠的双波段 c^6
v7wT5  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 gK-:t  
   _B8e1an  
Q2Yv8q_}Uq  
"SNsOf  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 PC.$&x4w1  
ed'}ReLK  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run -,TBUWg  
X']>b  
7. 总结 Mpk^e_9`<  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 6mep|![6  
1. 仿真 bL)g+<:F  
以光线追迹对单色仪核校。 x/[i &Gkv  
2. 研究 L`R,4mI.W  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 9(|[okB  
3. 应用 it&c ,+8  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 95T%n{rz  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 i\3BA"ZX  
扩展阅读 Zv7@  
1. 扩展阅读 /I7sa* i  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 d;mQ=k 1  
#_2V@F+,  
 开始视频 Jtd@8fVi  
- 光路图介绍 U"%k4]:A  
- 参数运行介绍 umcbIi('  
- 参数优化介绍 ,^26.p$  
 其他测量系统示例： {;n
?c$r  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 7@fd[  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) CV]PCq!