[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) ppPG+[cz  
>_|Z{:z]d.  
应用示例简述 -G(3Y2  
byEvc[/>Ys  
1.系统说明 a3b2nAIl  
/5L'9e  
 光源 Z[DetRc
-  
— 平面波(单色)用作参考光源 {QIS411  
— 钠灯(具有钠的双重特性) z }FiU
[Hs  
 组件 yEMX`  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅
>X-e
d  
 探测器 .
E?bH V  
— 功率 lGD%R'}  
— 视觉评估 HP
u/. oE  
 建模/设计 z v L>(R  
— 光线追迹：初始系统概览 X|lElN  
— 几何场追迹+(GFT+)： ]Ct`4pA  
 窄带单色仪系统的仿真 =;'ope(?S  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 &hSnB~hi  
{ar5c&<  
2.系统说明 CF4Oh-f  
tEpIyC  
GFASF,+  
=8$(i[;6w  
3.系统参数 |o;j0  
L@gQ L  
c<JM1  
e]dPF[?7  
P;HVLflu  
4.建模/设计结果 tu?Z@W/  
i/C -{+}U  
l`~a}y"n  
CYTuj>Ww  
总结 Z=e[
!c  

p[af[!  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 YYZs#_  
1. 仿真 P ],)  
以光线追迹对单色仪核校。 h;4y=UU  
2. 研究 pAUfG^v  
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。 ~I/>i&|M1  
3. 应用 kB$,1J$q  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 $~w@0Yl  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 A9fjMnw  
~_f |".T  
应用示例详细内容 s&_
IWala  
系统参数 Hz!
U_?  
>tXufzW  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 }e/[$!35  
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。 e@2E0u4   
8zWBXV  
c*M)DO`y;h  
%(dV|,|v  
2. 系统参数 m"?'hR2  
Hd=D#u=A4{  
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。 @]y{M;  
Vx\#+)4  
H(5ui`'s  
@=MZ6q  
3. 说明：平面波(参考) WW8YB"  
*'`3]!A  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 npG+#z  
l b1sV  
x
jP" 'yU  
,,C~j`F  
4. 说明：双线钠灯光源 0%&fUz36E6  
%xbz&'W,  
2'O!
~8U  
 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。
63y':g  
 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)。 Vbqm]2o&  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 x#}j3" PP  
^$&"<  
-f|+
 
KoQ_:`  
5. 说明：抛物反射镜 O+8ApicjTc  
]Xkc0E1  
G7kFo6Cb  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 6!Tf'#TV~!  
 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。 CSk  
x1hs19s  
?+
}E  
g8iB;%6   
^B"_b?b  
qdkTg:QJ,  
6. 说明：闪耀光栅 g)r,q&*  
onJ[&f  
P".qL5  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 1WA""yb  
 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 ;uWI
l  
K~hlwjrt  
6
Nd_YX  
>*Qk~kv<%  
vsr~[d=  
]zM90$6  
7. Czerny-Turner 测量原理 "6Hjji@A  
E/ed0'|m  
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。 GF.g'wYc)Y  
{*=5qV}  
)>A%F
L9  
px(1Ppb9  
bM3'm$34  
8. 光栅衍射效率 kp &XX|  
B& f~.UH  
K?9H.#(  
 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。 <812V8<!  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 {D2d({7  
 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) 7_'k`J@_  
J`D<  
TXk"[>,:H  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd [r< Y0|l,m  
xyJgHbml  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 +P6  
/7HIL?r  
);.<Yf{c  
[?r\b  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 +VI0oo {Z  
RkXLE"G'  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 Z(`K6`KM  
P9HPr2  
N|#x9mE  
=VI`CBQ/Um  
 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)。 ^~kFC/tQ  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 [`nyq)  
vH\nL>r
 
应用示例详细内容 9lwo/(
s  
HBkQ`T  
仿真&结果 sAAIyPJts  
g8
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i_  
1. 结果：利用光线追迹分析 g='2~c  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 9Qm{\  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 KqIe8bi^G  
Uc;IPS  
#2t\>7]  
Dg4^ C  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd Gqu0M`+7  
!~DkA7i55  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 @[N~;>  
 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)。 kR|DzB7  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， nQ*oOxe|X  
K?<Odw'k  
 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。 9Yne=R/]  
7.'j~hJL  
\}&w/.T  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms BHBR_7  
%[F;TZt  
3. 衍射效率的评估 F>{uB!!L4  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 #z5?Y2t7~^  
.:Xe*Q  
^O9m11  
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。 VFp)`+8  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd =7Gi4X%  
:EAfD(D{)  
4. 结果：衍射级次的重叠 j[ YTg]  
 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。 *VAi!3Rx;  
 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)。 HUX+d4sg  
 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。 %ieAY-<"  
 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) ( I~XwP&  
 光栅方程： "[Lp-4A\  
fA,!d J  
h.%Qn vL  
lw lW.C  
-2XIF}.Hu  
5. 结果：光谱分辨率 z@LP9+?dE  
1Ee>pbd  
{_D'\i(Y_  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run G!Q)?N   
6
/C  
6. 结果：分辨钠的双波段 Z.19v>-c  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 P=i |{vv(  
   JIk
mtZv  
N1t:i? q&  
xpo}YF'5  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 "A$Y)j<#G  
0;`PHNBq  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run FiH!)6T  
g[Y$SgJ  
7. 总结 cA^7}}?e  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 7E]l
=Z`x  
1. 仿真 sVf7g?  
以光线追迹对单色仪核校。 L3Iz]D3s  
2. 研究 ucO]&'hu:  
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。 =z dti'2{4  
3. 应用 e1a%Rj~  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 (6aZQ`H  
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。 4WnxJ]5`  
扩展阅读 27gm_*  
1. 扩展阅读 @TT[H*,  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 [! o-F;  
tt91)^GdYa  
 开始视频 q3:' 69  
- 光路图介绍 +d15a%^`  
- 参数运行介绍 smNr%}_g  
- 参数优化介绍 1A *8Jnw  
 其他测量系统示例： CbQ%[x9|  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) \/GY0s  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) n*uZ=M_/Q