[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) ErNYiYLi]  
?p@J7{a  
应用示例简述 ?'P}ZC8P  
!-7n69:G  
1.系统说明 @p*)^D6E\  
 Zw9;g+9  
 光源 * $f`ouJl  
— 平面波(单色)用作参考光源 XJe=+_K9  
— 钠灯(具有钠的双重特性) @/<UhnI  
 组件 fYUV[Gm  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 (|^m9v0:  
 探测器 CfU|]<  
— 功率 =lJ ?yuc  
— 视觉评估 ;Z{D@g+  
 建模/设计 p5#x7*xR6  
— 光线追迹：初始系统概览 DSz[,AaR]  
— 几何场追迹+(GFT+)： @ye!? %  
 窄带单色仪系统的仿真 k B>F(^  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 |2q3spd  
EpAgKzVpJ  
2.系统说明 Vbl-Ff  
=Hd yra  
u)0I$Tc"  
C")genMH  
3.系统参数 #; ?3kuq(  
} jj)  
?+d`_/IB  
Kn~Rck| ]  
=D/zC'l  
4.建模/设计结果 >lRZvf-i  
_f[Q\gK  
Q>%n&;:  
Q|AZv>'!  
总结 cFL~< [>_  
kMQ /9~  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ZUQ _u  
1. 仿真 Q6Gw!!Z5EA  
以光线追迹对单色仪核校。 iT-coI  
2. 研究 K29/7A/  
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。 7s(tAb
PdB  
3. 应用 uNzc,OH  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 1]7gYNzV"  
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。 _B^zm-}8|B  
n"EKVw7Y  
应用示例详细内容 $6"(t=%{  
系统参数 F^O83[S  
~gfR1SE  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ~skp}g]  
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。 ]Btkoad  
KMRPleF  
Nwi|>'\C  
/\8Il+0  
2. 系统参数 "313eeIt%i  
Urr%SIakvM  
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。 I/f\m}}ba  
)dT@0Ys%  
!ZBtXt#P  
$`F9e5}G  
3. 说明：平面波(参考) %T/@/,7h  
bx3Q$|M?  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 USBQEt  
mOE *[S)  
EA& 3rI>U)  
C%XO|
sP  
4. 说明：双线钠灯光源 s*izhjjX  
l[}4 X/  
U[C4!k:0  
 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。 \fA{sehdL  
 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)。 Zzlf1#26\  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 >d/H4;8  
8+F5n!
 
x|6]+?l@6  
o<`hj&s  
5. 说明：抛物反射镜 "D(Lp*3hj&  
Z?axrGmg0  
x;/LOa{LR  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 Z3`E
Xs  
 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。 @Wu-&Lb  
A lU^,X  
A]z*#+Sl  
K;?D^n.  
H9cPtP~a)  
P$)g=/td1  
6. 说明：闪耀光栅 ^Bx[%  
$T'!??|IF  

/at7H!  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 qkb'@f=  
 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 eVXXn)>  
OK[J h  
cw Obq\  
U&5*>fd=  
.G0 N+)  
[{x}# oRSE  
7. Czerny-Turner 测量原理 AYts &+  
J+6zV 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。 )Z}Ah
X  
,lyW'<~gA  
}#XFa#  
.w2ID  
4QL>LK  
8. 光栅衍射效率 G.W !   
kBu{ bxL  
7},A.q  
 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。 )pnyVTKt  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 YDt+1Kw}D  
 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) *IG$"nu  
?e7]U*jEU  
^t;z;.g  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd aB9!}3@  
MY&Jdmga  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 yK~=6^M  
[M?2axOC  
p9(y b  
tXD$HeBB?  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 $XBK_ 5  
._mep\#.:  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图
+X}i%F'  
{zdMmpQF  
WjV15\,  
r"h;JC/&<T  
 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)。 ~wc:/UM|  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 _X6'uJ  
s{hKl0ds  
应用示例详细内容 -yYdj1y;  
qe~x?FO_>  
仿真&结果 _73q,3`24  
z6>@9+V-&  
1. 结果：利用光线追迹分析 c OYDN[k  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 :6^7l/p  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 U|(+-R8Z  
.])prp8  
{_rfhz  
#YUaM<O  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 6b|?@  
jmok]-pC  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 Y+gY"  
 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)。 ']]
d-~:  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， d:H'[l.F%  
JzHG5nmB  
 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。 \bA Yic  
`?Rq44=  
2z.ot'  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 2
Xb, i  
]S|FK>U[  
3. 衍射效率的评估 ZykMri3bi  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 >tD=t8  
zM0NRERi  
}[*'  
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。 v*;d  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd Ic&h8vSU  
i;[y!U  
4. 结果：衍射级次的重叠 p7?  
 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。 G)3I+uxn  
 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)。 M[uWX=  
 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。 EeIDlm0o  
 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) b}J%4Lx%m  
 光栅方程： %|Ps|iV  
IG-\&  
5xY{Q  
=;}W)V|X)S  
BHXi g~d  
5. 结果：光谱分辨率 6CJMQi,kn  
!-gU~0  
!>UlvT-  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run &W `xZyb3  
>}5?`.K~Q*  
6. 结果：分辨钠的双波段 )?n'ZhsX  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 rg/{5f  
   NnZW@l
n"|  
"fFSZ@,r  
@hLkU4S  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 YJi%vQ*]  
]rcF/uQJ<n  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run qnm_#!&uHT  
voWH.[n^_  
7. 总结 "kg`TJf=  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 #-hO\ QdC  
1. 仿真 nHK(3Z4G  
以光线追迹对单色仪核校。 eH&F gmU  
2. 研究 `:/'")+@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。 18g_v"6o  
3. 应用 K}*ets1s}  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 .nV2n@SR  
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。 V0ze7tSG[f  
扩展阅读 jX53 owZ  
1. 扩展阅读 7y=>Wa?T[  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 p [O6  
j!;LN)s@?  
 开始视频 !(sn9z#  
- 光路图介绍 ul{x|R  
- 参数运行介绍 _vQ52H,  
- 参数优化介绍 ZbnAAbfKH  
 其他测量系统示例： %E?Srs}j  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) gGqrFh\  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) +z >)'#