[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) /lBx}o'  
Q)oO*CnM!-  
应用示例简述 NIn#  
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1.系统说明 *3_@#Uu7  
>*v!2=  
 光源 ~x`BV+R  
— 平面波(单色)用作参考光源 kae&,'@JF  
— 钠灯(具有钠的双重特性) CFqteY"  
 组件 &_cMbFLBP  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 (dl7+  
 探测器 =1' / ?  
— 功率 x O`#a=  
— 视觉评估 [43:E*\$  
 建模/设计 >q{E9.~b  
— 光线追迹：初始系统概览 Q)}_S@v|%  
— 几何场追迹+(GFT+)： Zi$v-b*<  
 窄带单色仪系统的仿真 U2 0@B`<  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 E;7vGGf]  
H4#|f
n  
2.系统说明 8RS=Xemds  
gp Aqz Y  
/Q Xq<NG  
~Dsz9 f  
3.系统参数 9/N=7<$  
4Eq$f (QJ  
A|!u`^p  
s>8;At-  
iXl6XwWT%8  
4.建模/设计结果 5(F @KeH>  
]oy>kRnb {  
>U/m/H'  
fh rS7f'Zd  
总结 /ekeU+j  
Un{hI`3]  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 !F3Y7R  
1. 仿真 q.]>uBAQ?  
以光线追迹对单色仪核校。 1&_93  
2. 研究 ;{xk[fm=  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 M~ =Bln5  
3. 应用 ~V,~'W  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ")%)e;V3  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 iQryX(z  
hq}kAv4B=  
应用示例详细内容 zNe>fZ  
系统参数 BJzNh>-#=  
4{!7T  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 u(W
%snl  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 O
y>u/g~  
g8<Ja
(J  
N 2|?I(\B  
yQ5F'.m9e  
2. 系统参数 * !4r}h`  
f|
eUpf%)  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 2%0J/]n\A"  
5r#0/1ym!  
3f;W+^NY  
-[\+~aDH,  
3. 说明：平面波(参考) 7A!E~/nSC  
rkw^RW^  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 6.X| .N  
9d7`R'  
t?& a?6:J  
gmG M[c\  
4. 说明：双线钠灯光源 _M.7%k/U8  
KMFvi_8  
N%8O9Dp8;  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 ,^]yU?eU  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。  U/v }4b  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 5[^pU$Y  
`~${fs{-`/  
C'4gve 7!  
Y", :u@R  
5. 说明：抛物反射镜 2D,EWk/4  
u} y)'eH  
eBw6k09C+  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 xWNB/{F  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 9 F"2$;  
J!l/!Z>!cF  
e;QPn(  
+k@$C,A  
nP9zTa  
>]DnEF&  
6. 说明：闪耀光栅 & ,KxE(C  

+Usy  
dEz7 @T  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 &
~ =q1?  
 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 ?OW!zE:  
37:\X5)z/  
'q+CL&D  
7WuhYJbf  
PjL"7^Q&  
LP_w6fjT  
7. Czerny-Turner 测量原理 *{}Y :  
f@:.bp8VB8  
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。 . 4$SNzv3V  
v.wHj@  
(<|NerwD  
"qb1jv#to  
4dfR}C  
8. 光栅衍射效率 *|Cmm>z"7  
d(LX;sq?  
Wnp\yx`  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 pf_(?\oz>  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 :BIgrz"Jz  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) RgF5w<Vd.  
uif1)y`Q$C  
=#tQhg,_  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd Hchh2  
GqYE=Q  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 =LP,+z  
a@>P?N~LA9  
,U-aZ  
P5vxQR_*lc  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 jHP6d =  
VR/*
h%  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 }ioHSkCD  
5Z2tTw'i  
;@I4[4ph}  
I2U/\  
 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)。 9DAk|K  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 y'5 y  
{w,g~ew `  
应用示例详细内容 G-vBJlt=t  
ENmfbJ4d~  
仿真&结果 Sqt'}  
rKK{*%n  
1. 结果：利用光线追迹分析 B~[}E]WEK  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 1Wz -Z  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 n/>^!S  
#&L[?jEn  
nPAVrDg O  
Pz=x$aY  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd O@[jNs)].  
-d|Q|zF^x  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 G-54D_
4  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 -F7GUB6B  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， %fv;C  
HAkEJgV  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 =vqy
5y  
|U~m8e&:  
!uoQLiH+  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms =th(Hdk17  
J\WUBt-M  
3. 衍射效率的评估 Nb[zm|.  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 Z9TUaMhF  
"ggViIOw&  
oNkASAd  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 qHAZ)Tz  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd s>pOfXIx  
CG`s@5y>5  
4. 结果：衍射级次的重叠 BA1|%:.   
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 U\crp T`  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 >u6*P{;\  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 AK7IPftlH  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) XAn{xNpz  
 光栅方程： lur$?_gt  
,-4SVj8$P  
o@p(8=x  
lphELPh  
5BztOYn,  
5. 结果：光谱分辨率 mnZS](>  
\[nvdvJv  
y<53xZi  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run t *8k3"  
 AU3Ou5  
6. 结果：分辨钠的双波段 #/UlW  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 $O+e+Y  
   Ql%0%naq1  
xh7[{n[;  
u-31$z<<5}  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 i?*_-NAm  
FN25,Q8:*I  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run :9_N Y"P  
#[4MwM3  
7. 总结 IjK  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 v7V.,^6+  
1. 仿真 Mp8FYPjZ  
以光线追迹对单色仪核校。 qWQ7:*DL  
2. 研究 i8]2y  
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。 dzK]F/L]  
3. 应用 mt0ZD}E  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 .U66Uet>RX  
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。 d )}@0Q  
扩展阅读 &#AK#`&)0i  
1. 扩展阅读 isdEs k#A.  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 bZ/4O*B  
RpAtd^I  
 开始视频 D<.zdTo  
- 光路图介绍 f9Vxtd  
- 参数运行介绍
|5ifgSZ  
- 参数优化介绍 ^kS44pr\Q  
 其他测量系统示例： bIX'|=  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) Ws+
Zmpk%  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) $'9b,- e