[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) GGs}i1m  
SoK iE  
应用示例简述 [sjosV  
Lnl=.z`jK  
1.系统说明 +iRh
  
`|&O*`  
 光源 4>e&f&y~  
— 平面波(单色)用作参考光源 7~.9=I'A  
— 钠灯(具有钠的双重特性) ;iL#7NG-R  
 组件 =GMkR+<)  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 F{;((VboN  
 探测器 RMu~l@  
— 功率 'I6i,+D/q  
— 视觉评估 R!gEwTk  
 建模/设计 >U27];}y  
— 光线追迹：初始系统概览 y _k l:Ssa  
— 几何场追迹+(GFT+)： $DaNbLV  
 窄带单色仪系统的仿真 Bn&ze.F  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 Txb#C[`  
~V1E0qdAE  
2.系统说明 sS'm!7*(3  

GH$pKB  
!wh8'X*  
~U&AI1t+J  
3.系统参数 5K8^WK  
sWnLEw  
x7<K<k;s  
u <v7;dF|s  
/!XVHkX[  
4.建模/设计结果 mtcw#D  
Si;H0uPO  
7n<::k\lb  
FP4P|kl/9'  
总结 #BH*Z(  
"'?>fe\qG  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Q K<"2p?  
1. 仿真 -;WGS o  
以光线追迹对单色仪核校。 ^WWQI+pk  
2. 研究 uiR8,H9*M  
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。 w@w(-F!%l  
3. 应用 >7DhTM-A  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Fd9[pU  
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。 z1X`o  
A;?|&`f  
应用示例详细内容 ,/|T-Ka
 
系统参数 suDQ~
\n  
(V2fRv  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ml }{|Yz  
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。 Y9XEP7  
1\I}2
;  
AFE~ v\Gz  
hZt!/?dc  
2. 系统参数 V1B5w_^>h'  
8&b,qQ~  
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。 "87:?v[[1  
qF;|bF  
IyG}H}  
> /caXvS  
3. 说明：平面波(参考) i?^L/
b`H  
v"Es*-{B  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 |Ds1  
fVpMx4&F   
D2~*&'4y  
amY!qg0P*  
4. 说明：双线钠灯光源 wNdisI  
4^|3Tn
tO  
Z4 =GMXj  
 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。 B:'US&6Lf'  
 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)。 .U]-j\  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ^s"R$?;h  
ji0@P'^;  
C1 *v,i  
nZYBE030  
5. 说明：抛物反射镜 TAW/zpps$  
>tW#/\x{  
&gx%b*;`L0  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 o0KL5].  
 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。 O3kA;[f;  
nb%6X82Q  
:eVq#3}  
rmg}N  
m!HJj>GEo  
vUM4S26"NT  
6. 说明：闪耀光栅 Wvf ^N(  
 Mb~
F%_  
cSV aI  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Jdj4\ju  
 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 ;uP:"k  
3)ywX&4"L  
?.BC#S)q1  
Uz]|N6`  
H9e<v4c  
;NI
Tc  
7. Czerny-Turner 测量原理 97!;.f-  
/IMFO:c  
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。 _I5Y"o  
pFjK}JOF  
Er?&Y,o  
gRcQt:  
pYf-S?Y/V  
8. 光栅衍射效率 fI|Nc  
$~T4hv :  
EXqE~afm2  
 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。 3(80:@|  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 )lDD\J7  
 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) {"KMs[M  
Pe3o;mx  
8KzkB;=n  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd * r7rZFS  
/cP"h!P}~~  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 1bwOmhkS  
#o#H?Vo9b  
T]~xj4  
5`p.#  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 Slc\&Eb  
o?Oc7$+u  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 AFwdJte9e  
+mT_QsLEv  
AH~E)S  
O?#7N[7  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 ]Zh%DQ  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 SXP]%{@R/  
:gFx{*xN/9  
应用示例详细内容 ~((O8@}J  
sK?twg;D*|  
仿真&结果 7WzxA=*#  
5]:U9ts#  
1. 结果：利用光线追迹分析 Nu)NqFG,  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Yrq~5)%  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 e~"U @8xk~  
(X*^dO  
=>~:<X.,  
3F^Q51:t  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ysnx3(+|  
O+x!Bg7   
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 >uEzw4w  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 <t!W5q  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， G7/ +ogV  
)Hr`MB  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 ^E>3|du]O  
5L}/&^E#p  
Y"$xX8o
  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms uHRsFlw  
Z*6IW7#  
3. 衍射效率的评估 [AJJSd/:  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 >9Vn.S  
lNO;O}8  
V0a3<6@4  
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。 -jmY)(\  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd `N8O"UcoBo  
)NT*bLRPQ  
4. 结果：衍射级次的重叠 sU^1wB Rj  
 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。 <(#ej4ar,  
 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)。 6j|{`Zd)G  
 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。 9H1rO8k  
 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) lq7E4r  
 光栅方程： 2y1Sne=<Kb  
DzRFMYBR  
pEz_qy[#  
%E;'ln4h&,  
X2'0PXv>!  
5. 结果：光谱分辨率 ;8 lfOMf  
j.= 1rwPt  
E' uZA  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run W\V.r$? v  
*|HY>U.  
6. 结果：分辨钠的双波段 n~Lt\K:  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 <IW$m!{VG  
   J]r^W)O  
7F.4Ga;  
l9"s>PU  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 z\4.Gm-  
7_[L o4_  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run F_P~x(X  
fI|$K)K  
7. 总结 .x&%HA  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 K)iF>y|{*q  
1. 仿真 _,*r_D61S  
以光线追迹对单色仪核校。 &BSn?  
2. 研究 ;qV>L=a  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 G^@5H/)  
3. 应用 |6y  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ?Q;=v~-Q  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 + >!;i6|  
扩展阅读 Vi|#@tC'  
1. 扩展阅读 U #0Cx-E  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 (**oRwr%  
-$g#I  
 开始视频 %@Jsal'  
- 光路图介绍 1{.9uw"2S  
- 参数运行介绍 DVeE1Q  
- 参数优化介绍 .fs3
>@T"#  
 其他测量系统示例： 9A#i_#[R  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) !bP@n  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) eszG0Wu