[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) m!|u{<,R  
(".`#909  
应用示例简述 MH'S,^J  
G!8O*4+A  
1.系统说明 gr4Hh/V
 
MH?|>6  
 光源 &rorBD 5aj  
— 平面波(单色)用作参考光源 d&(GIH E&d  
— 钠灯(具有钠的双重特性) G! zV=p  
 组件 2!-ZNd:(+  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 c*1t<OAS~  
 探测器 P_
z3TK  
— 功率 :v* _Ay  
— 视觉评估 tcwE.>5O  
 建模/设计 fR~_5pt7  
— 光线追迹：初始系统概览 H-nk\ K<|  
— 几何场追迹+(GFT+)： )T(xQ2&r4  
 窄带单色仪系统的仿真 {|^9y]VFu  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 {Lk~O)E  
=~?2i)-mC  
2.系统说明 z=N'evx~  
\Bw9%P~ G  
@%O"P9;s  
AGx]sr
l  
3.系统参数 DCPK1ql  
`*&*jdq&i  
c`#E#  
H(lq=M0~  
q<@f3[A  
4.建模/设计结果 T3@wNAAU  
\%KJ+PJ  
T6Z2 #  
NC>rZS]  
总结 e/6WhFN#  
Lf3Ri/@ p  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 XK`>#*"V  
1. 仿真 ^Gq4Y
r  
以光线追迹对单色仪核校。 D}SRr,4v  
2. 研究 ]\v'1m"  
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。 6A
Lf`:  
3. 应用 up=4B  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ZC_b`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。 SJ6lI66OX  
);kO27dg  
应用示例详细内容 ~x)Awdlu  
系统参数 |n \HxU3  
<?yAIhgN*  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 TKx.`Cf m  
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。 N0O8to}V  
B0?E$8a  
`4'v)!?  
^'lx5+-  
2. 系统参数 (Q o  
D(Pd?iQIO  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 c+f~>AaI  
xlp^XT6#  
O"<D0xzF?  
_"&b%!  
3. 说明：平面波(参考) >to NGGU=~  
=<YG0K  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 beRpA;  
.5p"o-:D  
B# |w}hj  
H1yl88K  
4. 说明：双线钠灯光源 5n"b$hMF  
'v GrbmK  
sTP`xaY  
 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] DF7 U  
 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)。 X~*1  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 XpJT
/&4  
O]DZb+O"  
ZN~:^,PO/  
"a6[Fq
Ts  
5. 说明：抛物反射镜 eGHxiC  
'H`aQt+  
c/DB"_}!a  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 7<*sP%6bD  
 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。 oTS*k: C'  
TppR \[4]  
 )o`|t  
2.{:PM4Z4  
H5'/i;  
*IG} /O.VT  
6. 说明：闪耀光栅 \L>3E#R-Q  
:aI[ lZ  
zlco?Rt  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 F.i*'x0u  
 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 `wj<d>m  
wwE`YY  
pUutI|mt/  
z$ZG`v>0  
Cp`)*P2  
cK%Sty'8+  
7. Czerny-Turner 测量原理 )D\!
#<#h  
:*u .=^
 
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。 M>nplHq   
15U]/?jv8  
ShbW[*5  
s_S[iW`l=  
uDvZ]Q|.  
8. 光栅衍射效率 F`IV9qv  
*`&4<>=n  
.xo#rt9_"=  
 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。 F6J,:  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 eLWD?-v%  
 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) hC2@Gq  
2L Kpwz?  

I!>pHF
4  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd J:Lw
O  
FC[8kq>Hk  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 o|u<tuUW  
gg $/  
$L%gQkz_  
P7np -I*  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 =kFZ2/P2t(  
}GI8p* ]o=  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 V|9<*  
E>>@X^ =  
<*k]Aa3y  
!o+[L  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 x.W93e[]H  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 KYBoGCS>  
{[&$W8Li  
应用示例详细内容 R@zl?
>+  
q$IgkL  
仿真&结果 1?+%*uoPX  
W Cz+  
1. 结果：利用光线追迹分析 >F7v'-*{  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ,xmL[Yk,  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 s.ywp{EF  
+9Vp<(  
vk;]9o j*  
J;@g#h?  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd {Aq2}sRl{  
(NB\wJg $  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ROH 2KSt  
 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)。 ,Hq*zc
c  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， nz-( 8{ae  
\ k&(D*u  
 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。 oMdqg4HUF  
QxUsdF?p  
e:2e5gz  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms =6Z$nc R  
.zDm{_'  
3. 衍射效率的评估 \ct7~!qM  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 J+IkTq
w  
XNZW J  
>2kjd  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 [OTZ"XQLI  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ?-.Qv1hs6p  
"WPFZw:9  
4. 结果：衍射级次的重叠 PO1|l-v<Yq  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 m~$S]Wf  
 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)。 UB5X2uBv  
 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。 Fke_ms=I^  
 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) qC|$0  
 光栅方程： `)Z+]5:  
b&iJui"7k  
;~nz%LJ  
P/9iB/  
)$Tcip`  
5. 结果：光谱分辨率 L"Vi:zdp  
.LQvjK[N
 
;_]Z3  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run U`25bb1Wj  
A~Uqw8n$\  
6. 结果：分辨钠的双波段 )cF1?2  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ccCe@1RI  
   k2axGq  
335\0~;3  
w26x)(7  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ?A]@$  
4=b{k,kzgA  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run ;8VvpO^G/  
]E8S`[Vn  
7. 总结 e1d);m$  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 j
j
bw+  
1. 仿真 C{"uz_Gh  
以光线追迹对单色仪核校。 @-g'BvS  
2. 研究 ? FlV<nE"J  
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。 ga#Yd}G^~3  
3. 应用 !Eof7LUE  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 VOmWRy"L  
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。 ^Ko{#
qbl/  
扩展阅读 @1p,  
1. 扩展阅读 P#8]m(  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 JsA9Xdk`  
#!h +K"wX  
 开始视频 hhZUE]  
- 光路图介绍 $AI0&#NM  
- 参数运行介绍
qUW>qi,  
- 参数优化介绍 r]0UF0#  
 其他测量系统示例： NbDfD3 1GK  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 4h[S`;D0Vf  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) fUJ\W"qya