[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) fe .=Z&  
VoCg,gow   
应用示例简述 QE 4  

b42%^E  
1.系统说明 18$d-[hX  
(g6e5Sgi>  
 光源 *F$@!ByV  
— 平面波(单色)用作参考光源 jN6V`Wh_  
— 钠灯(具有钠的双重特性) p.:651b  
 组件 74^v('-2  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 ~cU1 /CW8  
 探测器 |# 0'_  
— 功率 b'4a;k!rS  
— 视觉评估 2gWR2 H@  
 建模/设计 t{;2$z
0  
— 光线追迹：初始系统概览 9.)z]Gav  
— 几何场追迹+(GFT+)： 2EgvS!"  
 窄带单色仪系统的仿真 `IN!#b+Eo  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 i)l0[FNI}  
VQIvu)I  
2.系统说明 ^f[6NYS?  
:N8n6)#1=  
 }$oS/bo  
V x#M!os0  
3.系统参数 F .S^KK  
r8"2C#  
tSy 9v  
%oBP6|e  
[kg^S`gc#  
4.建模/设计结果 u|KjoO   
8Z!%rS  
Wvl~|Sx]  
loA/d  
总结 {@X>!]  
'2X$. ^aW  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 [%k8l~ 6  
1. 仿真 &JX<)JEB=<  
以光线追迹对单色仪核校。 9L$OSy|  
2. 研究 Cm;cmPPl  
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。 ?I]AE&4'  
3. 应用 R;HE{q[ f  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 -1Tr!I:1  
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。 20I`F>-*  
zS:2?VXxq  
应用示例详细内容 )4rt-_t<  
系统参数 /<_!Gz.@uG  
K/9Jx(I,qL  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 :]:)c8!6  
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。 x[mz`0  
pZ8J\4+  
1G]D:9-?  
7R:j^"I@  
2. 系统参数 A~xw:[zy$a  
=r+K2]z,L  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 S ,F[74K  
z5gVP8*z5  
wa<k%_# M  
-]wEk%j  
3. 说明：平面波(参考) Q z(n41@`  
N.mRay,  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 jyD~ER}J  
Ma!  
.xqi7vVHZ  
.Wt3|?\=nd  
4. 说明：双线钠灯光源 dQT[pNp:  
]I)ofXu]  
Sm<*TH!\n_  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 (zFqb,P  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 s,r|p@^  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 M(L6PyEa!Y  
-i?gYF!G  
(rFiHv5  
S3M!"l  
5. 说明：抛物反射镜 -E1-(TS  
WzstO}?P(  
|8f}3R 9  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ,c:NdY(,)  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 )!v"(i.5Xo  
~*bfS}F8I  
msxt'-$M  
_yg;5#3  
rJGh3%  
/?r A|  
6. 说明：闪耀光栅 HL&HY)W1gf  
^2}HF/  
!-tw  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Zb2pZhkW  
 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 Uj;JN}k  
O
)`L( x  
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PWg  
)T"Aji-hy  
h,FU5iK|  
EF!J#N2  
7. Czerny-Turner 测量原理 mDK*LL5]W  
MlYm\x8{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。 8!|vp7/  
CPZ,sWg5  
>=97~a+
.  
*-PjcF}Y  
?|kbIZP(  
8. 光栅衍射效率 V<#KFm$>C  
#WZat ?-N  
%W9R08
`  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 !.,J;Qt  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 Ik^^8@z  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) .Pj<Pe  
Z@1kx3Wx$  
('J@GTe@xj  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd -_nQn  
F/ZFO5C%  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 4ams~  
_!1LV[x!s  
D(ItNMcKu  
<c[\\ :Hh*  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 BW)-F (v   
5c3-?u!  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ,93Uji[l  
:+DrV
\)  
z |llf7:  
Xi%Og
\vm5  
 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)。 cy.r/Z}  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 }P?e31@:  
u ,3B[  
应用示例详细内容 AC1RP`c  
JD#q6&|  
仿真&结果 >\[]z^J  
r|UJJ9i  
1. 结果：利用光线追迹分析 WGn=3(4  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 AwNr}9`  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 dvjj"F'Bf  
BzS4:e<  
9{OO'at?  
exJc[G&t(  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd x7/Vf,N  
]Z5m_-I  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 y#B=9Ri=z  
 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)。 `;Tf_6c  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， QO}~"lMj  
ldUZ\z(*  
 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。 Mu>
  
k!x|oC0  
3h:~NL  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 0\XWdTj{  
:ZY%-]u7  
3. 衍射效率的评估 7 2JwG7qh  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 ^}Vc|
|S  
BS fmS(.  
:@i+yN cV  
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。 iSO xQ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd jKmjZz8L]%  
)iw-l~y;  
4. 结果：衍射级次的重叠 yF(9=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。 <VhmtT%7  
 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)。 Bza<.E=  
 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。 zN!W_2W*  
 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) 6:G&x<{  
 光栅方程： n7bVL#Sq[  
sPi  
(G>su  
[<f2h-V$  

Ag9GYm  
5. 结果：光谱分辨率 d]e36Dwk  
39 }e }W"  
c qCNk  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run !6=s{V&r1  
s`=| D'G(=  
6. 结果：分辨钠的双波段 "L]v:lg3  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 !6-t_S  
   w3,KqF  
P_3IFHe  
$/"Ymm#"\Y  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 #).^k-
  
4j3_OUwWZx  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 5%2~/ "  
y_Lnk=Q ^  
7. 总结 |iUF3s|?  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 THq}>QI  
1. 仿真 gS<p~LPf  
以光线追迹对单色仪核校。 2?%*UxcO  
2. 研究 e=VSO!(rY  
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。 y`zdI_!7  
3. 应用 I*TTD]e'X  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ]\fHc"/  
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。 X'$H'[8;C  
扩展阅读 }Q:
CZ  
1. 扩展阅读 aQ(P#n>a2  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Se!w(Y&  
k?7"r4Vc)S  
 开始视频 E|9`J00  
- 光路图介绍 #WG}"[ ,c  
- 参数运行介绍 @Dsw.@/  
- 参数优化介绍 Q<6* UUQm  
 其他测量系统示例： QaO9-:]eN  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) \"ogQnmz  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) %R4 \[e