[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) .2si[:_(p  
W8/8V,  
应用示例简述 )Q!3p={S*  
I|{A&G}|q  
1.系统说明 h /.^iT  
tSZd0G<A<o  
 光源 fuwv,[
m  
— 平面波(单色)用作参考光源 "(U%Vg|)  
— 钠灯(具有钠的双重特性) $_5@NOZ,M  
 组件 ,IODV`L  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 +yh-HYo`  
 探测器 nmc5c/C|-I  
— 功率 0( s io\  
— 视觉评估 w'Cn3b)`  
 建模/设计 8" x+^  
— 光线追迹：初始系统概览 !.(%"  
— 几何场追迹+(GFT+)： "n4' \ig  
 窄带单色仪系统的仿真 :N3'$M"  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 RZV8
{
  
@`</Z)  
2.系统说明 $oJ)W@>  
\w]c<gM K  
)bM #s">Y  
GmA5E  
3.系统参数 e>ZF? (a0  
P@u&~RN9f+  
Gob;dku  
{
U`B|  
4/Vy@h"A3  
4.建模/设计结果 E rf$WPA  
m-~eCFc  
()E:gqQ  
7jb{E+DrG  
总结 h%hE$2
 

;T|y^D  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 8Jz/'  
1. 仿真 ]wMp`}$b@L  
以光线追迹对单色仪核校。 pY3N7&m\:  
2. 研究 eBK s-2r  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 9}4EW4  
3. 应用 xELnik_L2  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 `q ;79t  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 +Oae3VFf;  
H3#xBn>9  
应用示例详细内容 &zCqF
=/9U  
系统参数 ]g>@r
.Nc  
[N|/d#  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 "4{_amgm&<  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 5 i1T?  
)$#r6fQO  
)8c`o  
6zQ {Y"0  
2. 系统参数 I6]|dA3G  
}T?MWcG4  
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。 ;|2h&8yX(/  
mErXdb|L  
nP9@yI*7  
mGQgy[gX  
3. 说明：平面波(参考) gyW*-:C  
@-z#vJ5Qe{  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 |~! R5|Q  
8F$b/Z  
5G~;g  
XUD/\MoV  
4. 说明：双线钠灯光源 kRs24=  
26fm}QV  
!b O8apn  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 ]Q\Ogfjp  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 4>4*4!KR}  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 8s4y7%,|  
Mk=;U
Bb$X  
mm3goIi;Y  
i^{.Q-  
5. 说明：抛物反射镜 nL}bCX{  
\C3ir&  
^n@.  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 >4:W:;R  
 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。 r)|X?   
p{j }%)6n  
JM{S49Lx  
'3>kDH+  
/EUv=89{!  
29"eu#-Qj  
6. 说明：闪耀光栅 s,TKC67.%+  
XA~Rn>7&H  
PUB|XgQDY:  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 (o_fY.  
 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 @GGzah#  
e~r%8.Wm  
/&=E=S6
 
40pGu  
?lv{;4BC  
Qp7|p  
7. Czerny-Turner 测量原理 c'_-jdi`>_  
I)ub='+&;  
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。 omM*h{z$$  
)5lo^Qb  

l=5(5\  
w:Fi 2a
J  
tRYMK+  
8. 光栅衍射效率 p(MhDS\J  
C #ng`7 q  
E|D~:M%~  
 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。 2 [a#wz'  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 aG?ko*A
;  
 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) ;$@7iL  
QP|Ou*Qm)  
wKhuUZj{  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd OiX>^_iDt  
RqW ZhHI1M  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 Qi|jL*mj&  
)W'l^R4W  
H,q
IHQW#  

L)VEA8}  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 zpr`  
k oo`JHC  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 U9IP`)z_5t  
qUSImgg  
In|:6YDL&  
$rDeI-)S  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 g^(wZ$NH  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 C>Qgd9  
cj-P&D[Ny[  
应用示例详细内容 |@={:gRJ{x  
go/]+vD  
仿真&结果 Rd;k>e  
DF'-dh</*  
1. 结果：利用光线追迹分析 .Vux~A  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Lm\N`  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 jcQ{,9 H`l  
!!_K|}QOE  
oju7<b9Ez  
"<0BCJJ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd qSj2=dlW  
 ~%_$e/T  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ?:Y{c#w>  
 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)。 "K`B'/08^  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， H r?G_L  
"aK3 ylz;  
 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。 Ixg.^>62  
AD=@  
a ^<W ?Z  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms -Ep cX!i  
$"C]y$}  
3. 衍射效率的评估 VYkOJAEBg  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 /HgdTyR)  
{bL6%._C  
#_y#sDfzh  
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。 
:Ts"f*  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd w"$CV@AJ  
%5RY Ea  
4. 结果：衍射级次的重叠 E"bYl3  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 8I$B
^,N  
 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)。 E~_2Jf\U  
 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。 :j9{n ,F  
 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) ! lgsV..R  
 光栅方程： <~t38|Ff@  
eX7Ev'(H  
ii0AhQ  
<",4O  
P0S;aE  
5. 结果：光谱分辨率 v'Gqdd-#)  
YvE$fX=  
MFcN.M  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run FOgF'!K  
h<\o[n7j  
6. 结果：分辨钠的双波段 id@!kSR  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 <splLZW3k  
   NqvL,~1G  
ChF:N0w? p  
1@RctI_}  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 +Sv`23G@  
!=--pb  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run XWZ *{/u  
} WY7!Y  
7. 总结 *O,\/aQ+  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 y562g`"U  
1. 仿真 LF* 7;a  
以光线追迹对单色仪核校。 R<lj$_72Q  
2. 研究 q3JoU/Sf  
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。 >3s9vdUp4h  
3. 应用 r<cyxR~  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ZdeRLX  
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。 KG)7hja<6g  
扩展阅读 7lY&/-V  
1. 扩展阅读 A>(m}P  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ]Gm,sp.x  
[[P?T^KT  
 开始视频 &^FCp'J-  
- 光路图介绍 [tym~ZZ]_m  
- 参数运行介绍 P}N%**>`  
- 参数优化介绍 RzQ1Wq  
 其他测量系统示例： Y>geP+-  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) _$PZID  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) JVf8KHDj