[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) vY.VFEP/  
6Ktq7'Z@  
应用示例简述 lZIJ[.  
F"M/gy  
1.系统说明 se>\5k  

vA6onYjA  
 光源 Hq>hnCT  
— 平面波(单色)用作参考光源 ]FvGAG.*  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 0x*|X@6\  
 组件 pQ^V<6z}  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 u~FVI  
 探测器 |Axbx?  
— 功率 O.y ?q  
— 视觉评估 Fo;J3<U)  
 建模/设计 Jo;&~/V   
— 光线追迹：初始系统概览 "|&3z/AUh  
— 几何场追迹+(GFT+)： wXnVQ-6H  
 窄带单色仪系统的仿真 F3o"ETle  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 8[AU`F8W  
6q`)%"
4k  
2.系统说明 qW4\t  
sieC7raO  
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(w"(RM~  
3.系统参数 *+6iXMwe  
OA}; pQ9QN  
/7+b.h])^  
r.Z g<T  
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4.建模/设计结果 ndN*X'  
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总结 2g_mQT  
X$Q.A^9  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 hHDLrr
  
1. 仿真 a!u5}[{  
以光线追迹对单色仪核校。 WLVkrTvX  
2. 研究 hG<[
F@d
 
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。 V)5,E>;EN  
3. 应用 P&[&Dj  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 8sI$  
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。 0/!0W%f[}  
>@?mP$;=  
应用示例详细内容 suWO:]FR  
系统参数 _):@C:6  
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1N  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 %FqQ+0^  
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。 O/(vimx.#F  
h|Qb:zEP,  
>X:!Y[N  
<rui\/4NJ  
2. 系统参数 qq[Dr|%7  
6;!)^b  
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。 -U9C{q?h  
~FXq%-J  
[,ulz4"  
d, ?GW  
3. 说明：平面波(参考) gzW{h0iRr  
lMg#zT!?  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 cud9oJ-=;  
pAA)?/&oKV  
EDnZ/)6Gg  
kj4=Q\Rfm  
4. 说明：双线钠灯光源 LIz'hfS!  
IBu\Sh-  
H=Cj/jE  
 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。 HmU6:8V *Z  
 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)。 uD{ xs  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 4 540Lw'A  
v*As:;D_  
~>0H k}Hv  
){eQ.yW  
5. 说明：抛物反射镜 Nx*1m BC  
4qsxlN>4O
 
3a ZS1]/  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 OkT@ _U  
 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。 {%y|
A{}c  
_T8S4s8q  
D8Mq '$-  
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YvP62c \  
^f"|<r  
6. 说明：闪耀光栅 Q uw|KL  
=i;T?*@  
gnxD'1_  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 u.?jWvcv  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 4"!kCUB  
IQ-l%x[fue  
)z4eRs F|  
#O8=M(- V  
\\Q){\S  
}?+tX<j  
7. Czerny-Turner 测量原理 F:Ps>  
S}]B|Q  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 1^
tX:qR  
#mK?:O\-1  
1Qz@  
'<1Cta`  
q0vZR"y  
8. 光栅衍射效率 Y(?SE< 4R  
F`{O  
`Gl[e4U  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 Odhr=Hs  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 oJ"D5d,  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) lq,]E/<&  
,7k1n{C)  
+|5O b  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd l7@cov  
R1<$VR  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 WQD:~*C:  
Wyeb1  
YmjA
!n  
m@w469&<(q  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 qcQq.cS_'N  
];b+f@  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 $MfRw
  
`R.Pz _
oe  
('\sUZ+5  
j?k|-0  
 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)。 2Yd@V}  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 9e vQQN6D|  
T34Z#PFwe  
应用示例详细内容 *n[BBz  
AP1ZIc6  
仿真&结果 A:yql`&s  
$\~cWpv  
1. 结果：利用光线追迹分析 ;#0$iE  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 eQn[  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 KU+\fwYpnk  
Z5)v  
&}pF6eIar  
Km,o+9?1gF  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd u7Ix7`
V  
"Ehh9 m1&
 
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ?d{O'&|:  
 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)。 7y)Ar 8!D  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， pLV %g#h  
DQc\[Gq&  
 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。 I|<]>D-8  
;Bz
x}7
A  
.c0u##/0  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms `<|<1,  
NuUiW*|`7  
3. 衍射效率的评估 X7`-dSVE  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 X-,oL.:c  
u^CL }t*  
@EyB^T/  
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。 "Jg.)1Jw  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd V`W']  
iSW<7pNq0  
4. 结果：衍射级次的重叠 J]{<Z?%  
 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。 nKnrh]hX  
 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)。 o76!
7  
 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。 re}PpXRC  
 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) bqp^\yu-E  
 光栅方程： {&B_b|g*fW  
~
/z%yg  
3]9Rmx  
w%\{4T~  
^~7Mv^A  
5. 结果：光谱分辨率 8e
,F{>N  
mU?~s7  
S_OtY]gF  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run @F$}/  
llWY7u"  
6. 结果：分辨钠的双波段 /93z3o7D>  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 -38"S;M8  
   ;Oqf{em];  
P3Lsfi.  
xa<KF  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 c_M[>#`  
Hs:zfvD  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run |O oczYf  
x|dP-E41\  
7. 总结 o9]32l  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 4Y2I'~'  
1. 仿真 r Dlu&  
以光线追迹对单色仪核校。 g}gGm[1SUo  
2. 研究 7Hgn/b[?b  
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。 a7F_{Mm  
3. 应用 :9%e:-  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ?b{y#du2a  
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。 e!gNd>b {  
扩展阅读 Fw{@R
Qf8  
1. 扩展阅读 SG|AJ9  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 pUF JQ*  
~OPBZ#  
 开始视频 Y;huTZ  
- 光路图介绍 8#Z)qQWi_t  
- 参数运行介绍 t&=bW<6  
- 参数优化介绍 <jF&+[*iT  
 其他测量系统示例： ort*Ux)  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) FA)ot)]  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) X{,mj"(w