[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) YRPm^kW  
2@vJ  
应用示例简述 !)N|J$FU  
p8Iw!HE  
1.系统说明 mw_ E&v  
*n8%F9F  
 光源 :M06 ;:e  
— 平面波(单色)用作参考光源 %m9CdWb=w  
— 钠灯(具有钠的双重特性) l71gf.4g  
 组件 7c-Gm R2  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 +noZ<KFW "  
 探测器 oh6B3>>+  
— 功率 3{KR {B#L  
— 视觉评估 'Y.Vn P&H  
 建模/设计 syv$XeG=}  
— 光线追迹：初始系统概览 9M_(He -  
— 几何场追迹+(GFT+)：
|g%mP1O  
 窄带单色仪系统的仿真 Zmf'{tT5  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 EM@;3.IO  
'0:i<`qv#g  
2.系统说明 Ow3P-UzU3  
#Z\
O}<  
,vV]"f  
SVagT'BB  
3.系统参数 k@V#HC{t  
V }>n  
ZsZcQj6G,  
r[s!F=^  
V >Hf9sZ  
4.建模/设计结果 NBjeHtT  
AVG>_$<  
t|V0x3X  
C9qJP^F  
总结 MxOD8TDF4  
+E/y ~s  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 'xnnLCm.
 
1. 仿真 S_v(S^x6  
以光线追迹对单色仪核校。 B
6]<G-
 
2. 研究 EVt?C+  
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。 09S6#;N&  
3. 应用 e}0:"R%E  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 aE|OTm+@9;  
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。 vMla'5|l  
Ue*C>F
 
应用示例详细内容 |Ps% M|8~  
系统参数 K=?VDN  
C5W>W4EM  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 Zj*\"Ol  
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。 GKiukX$'  
*1{S*`|cJy  
"w_N'-}#  
pI;NL [  
2. 系统参数 "&~ 0T#  
Bfr
'Zdw  
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。 PUdM[-zjh  
3= -pG  
ir16   
xd-XWXc  
3. 说明：平面波(参考) s%pfkoOY%  
k+^'?D--'P  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 o.-C|IXG  
re &E{  
,xI%A, (,;  
l4y{m#/  
4. 说明：双线钠灯光源 }fR,5|~X  
gNpJ24QK  
%Sk@GNI_  
 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。 `^9(Ot $  
 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)。 }(XdB:C8  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 PX(pX>  
=~KsS}`1,  
-e u]:4  
&o3K%M;C?  
5. 说明：抛物反射镜 !? 5U|  
,`A?!.K$  
_-~`03 `!  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 a`(a)9i  
 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。 p4K.NdUH  
h*B|fy4K9U  
U
LH0'@BJ  
C0*@0~8$9  
]rN5Ao}2  
v%{.A)  
6. 说明：闪耀光栅 9#d+RT  
clw%B  
e`>{$t  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 U-kVNBs  
 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 5kNzv~4B,;  
LPYbHo3fq  
)~6zYJ2  
 Ez~'^s@  
6$fYt&1  
6x)$Dl  
7. Czerny-Turner 测量原理 J[~5U~F  
R9rj/Co  
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。 2F#q I1  
z+a%5J  
)u]9193  
KOz(TZ?u  
!HeSOzN  
8. 光栅衍射效率 "1`Oh<={b  
>gwz,{  
dC\ZjZZ  
 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。 9+s.w25R  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 D?yG+%&9  
 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) hI?sOR!  
)}vNOE?X~  
-x8nQ%X  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd mGUO6>g  
@yXfBML?]  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置
<<](XgR(  
U7uKRv9  
%CUGm$nH  
,lA.C%4au~  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 n+lOb  
:l7U>~ o  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 =[\s8XH,  
;,i]w"*  
K{b(J Nd  
:ISMPe3'  
 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)。 \I"Z2N>^z  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 {~|OE-X][  
pj4!:{.;  
应用示例详细内容 Hqnxq  
2aJ
S{[  
仿真&结果 YEkh3FrbwH  
^Q*atU  
1. 结果：利用光线追迹分析 L-B<nl  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 F:y[@Yn  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 lrf
v+  
qd8n2f  
&E xYXI  
\#o2\!@`  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 9j W2  
FnJ?C&xK  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 V $z} K  
 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)。 {hln?'  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， p!k7C&]E  
w =.Fj  
 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。 nhIa175'  
!mWiYpbU+  
O6IB. >T  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 5~mh'<:  
>pU:Gr  
3. 衍射效率的评估 6[OzU2nB  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 `tjH<  
GA7}K:LP'k  
6JKqn~0Kk  
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。 JQ4{` =,b  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd Qs9gTBS;  
}%Bl>M
  
4. 结果：衍射级次的重叠 ?wnzTbJN  
 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。 OKFtl  
 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)。 J'N!Omz  
 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。 [D*UT#FM  
 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) /-bO!RTwf  
 光栅方程： r}uz7}z %"  
,V*%V;  
PJ='tJDj  
Oft4-4$E  
n_3O-X(  
5. 结果：光谱分辨率 1"pw  

ox+ 3U  
Gs3LB/8?  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run uYE`"/h,1e  
Z*-g[8FO  
6. 结果：分辨钠的双波段 f4L`.~b'hb  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 a33TPoj  
   s}N#n(  
}:Z#}8  
SPp#f~%m  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 v@e~k-
#  
EvOJ~'2 Y%  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run -?(E_^ng  
~ o1x;Y6  
7. 总结 ,=l7:n  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Z!U)I-x&  
1. 仿真 >3c@x  
以光线追迹对单色仪核校。 ezPz<iZ\N  
2. 研究 ~#kT_*sw)  
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。 [,TkFbDq"J  
3. 应用 ei rzYt  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 <vXGi  
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。 Y5F]:gs@  
扩展阅读 {'U Rz[g  
1. 扩展阅读 $z+8<?YD  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 -%L6#
4m4o  
1 5A*7|  
 开始视频 A<W6=5h  
- 光路图介绍 D$T%\ P  
- 参数运行介绍 U^Xm)lL  
- 参数优化介绍 ij?  
 其他测量系统示例： 9;veuX#(  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001)
F$[ U|%*  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) qG<$Ajiin