[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) a6/$}lCq  
xDtJ&6uFw  
应用示例简述 k2@|fe  
:5 zXW;s  
1.系统说明
M{  
J Gpy$T{t  
 光源 ;q;}2  
— 平面波(单色)用作参考光源 Nfdh0v  
— 钠灯(具有钠的双重特性) dJYW8pcKT  
 组件 exfJm'R?n  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 ]y52%RAKI  
 探测器 
2 yY.rs  
— 功率 G*].g[
'  
— 视觉评估 Gd:fh5u':  
 建模/设计 >ow5aOlQ&  
— 光线追迹：初始系统概览 7hLdCSX  
— 几何场追迹+(GFT+)： \'}? j-8  
 窄带单色仪系统的仿真 "A0J~YvYWJ  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 `VzjXJw  
FfET45"l  
2.系统说明 `~S; UG  
/#]4lF
k:h  
X7~AqG  
__Tg1A  
3.系统参数 d#OE) ,`  
Q&d"uLsx  
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<T0+-]i  
'nR'o /!  
4.建模/设计结果 k#Bq8d  
2TxHY|4  
<dAD-2O+  
nYF;.k  
总结 O*%@(w6  
,f(:i^iz!  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ^vQ,t*Uj=  
1. 仿真 ^]A,Q%1q^  
以光线追迹对单色仪核校。 (='e9H!3D  
2. 研究 m0(]%Kdw  
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。 q4wS<,3  
3. 应用 6_#:LFke  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 pMy];9SvW  
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。 [fjP.kw;J  
cI
JqF.k  
应用示例详细内容 o7A+O%dX  
系统参数 '9R.$,N  
k9|8@3(h  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 |
[lmW%  
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。 ;I5u"MDHGI  
(aQNe{D#  
X\yy\`o  
Dno'-
{-  
2. 系统参数 #@cOyxUt  
~t` uq  
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。 4U1!SR]s  
+ yF._Ie=  
6|O2i j-J  
Oz:J8l%  
3. 说明：平面波(参考) $0OWPC1  
[|)Eyd[G  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 0M=U>g)  
n=+K$R  
2Kg+SLU[~  
t;?TXAA  
4. 说明：双线钠灯光源 />EH]-|  
"iC*Eoz#.  
q|N/vkqPz  
 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。 L,<5l?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)。 \
>%.ktG  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 OK6c"*<z  
av.L%l&d  
s:fy *6=[Z  
P0 va=H  
5. 说明：抛物反射镜 rphfW:  
u0M? l  
T/$6ov+K  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 AusCU~:>  
 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。 4.^1D';(  
JQp::,g
 
a+--2+~=  
<A_LZi  
mqx#N%  
j1yW{  
6. 说明：闪耀光栅 {);S6F$[3  
YjT7_|`(]  
Pl>S1  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 xD#r5  
 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 *s"dCc  
EzXGb  
7E-1 #4  
_,U`Iq+X  
.+'`A"$8  
B}(+\Q$I  
7. Czerny-Turner 测量原理 C_RxJWka  
^F*G  
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。 )Hp{
8c  
"i}?jf {a  
#})OnM^],  
SR4cR)Iz
 
$eI=5
 
8. 光栅衍射效率  bK7j"  
)sh+cfTCb  
~; emUU  
 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。 %B,>6 `[  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 3%g\)Cs  
 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) ["N)=d|LS  
L*rND15  
+;H-0Q5  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd *G<K@k  
3Pj 6(cf  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 z^KMYvH g  
y" (-O%Pe  
@-7h}2P Q  
-UHa;WH  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 S#kA$yO  
Nan@SuKY  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 .??[qBOTE  
,:Q+>h  
VSW:h  
fO;#;p.  
 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)。 /!V)2j,  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 H\zV/1~Y  

 Stzv  
应用示例详细内容 epcBr_}  
)&Bf%1>  
仿真&结果 .ykCmznf*  
y@5{.jsr_  
1. 结果：利用光线追迹分析 :{(` ;fJ  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 O0"u-UX{  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 ypCarvQT  
0 e}N{,&Y  
Fp_?1y  
3X0"</G6  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd <6 LpsM}  
zNF.nS}:  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 MDHTZ94\Q  
 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)。 )2Ru} -H  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， .4jU G=  
5#DtaVz  
 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。 XM9}ax  
s/;iZiWK  
jp~C''Sj  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms xnBU)#<]S  
6AM-^S@  
3. 衍射效率的评估 rq[+p  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 b3>`%?A  
d".Xp4}f  
x&ngCB@O  
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。 r )EuH.
z  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd E{Tvjh+  
}mZsK>  
4. 结果：衍射级次的重叠 sPu@t&$  
 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。 Wfw6(L  
 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)。 gc ce]QS  
 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。 Sk~( t  
 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) }m`+E+T4  
 光栅方程： Lrr1) h  
%ut^ O  
Gkc.HFn(  
,?'":T1[  
1<Z~Gw4  
5. 结果：光谱分辨率 TQor-Cymz  
]*M VVzF  
#>]o'KQx  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run c]u^0X?&  
STr&"9c  
6. 结果：分辨钠的双波段 Za*QX|  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 )kBN]>&R  
   -Um|:[*I  

eJ=K*t|  
F!LVyY"w  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 [K*>W[n  
$@ous4&  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run @TvoCDeI  
QJsud{ada  
7. 总结 U{)|z-n  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 _ ?\4k{ET  
1. 仿真 (_9cL,v  
以光线追迹对单色仪核校。 gz,x6mnQ  
2. 研究 B9Ha6kj  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 i uNBw]  
3. 应用 /+11`B0
9  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 -F]0Py8(  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 O%$XgEJ8p  
扩展阅读 zvDg1p  
1. 扩展阅读 wva| TZ  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 :~% zX*  
#S*@RKSE|7  
 开始视频 voD0u  
- 光路图介绍 4!I;U>b b  
- 参数运行介绍 *Dz<Pi^  
- 参数优化介绍 .5t|FJ]`$  
 其他测量系统示例： "1-|ahW  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) hDP&~Mk  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) aDae0$lc.S