[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) (6)|v S  
t,~feW,  
应用示例简述 7*+tG7I @  
eH;{Ln  
1.系统说明 5uM`4xkj  
DI :  
 光源 YRaF@?^Gn  
— 平面波(单色)用作参考光源 t,5AoK/NL9  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 0sq?>$~Kc*  
 组件 ~:b5UIAk  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 M\08 7k  
 探测器 t4zKI~cO  
— 功率 s_!F`[  
— 视觉评估 @Y%i`}T%(  
 建模/设计 _k)EqPYu@  
— 光线追迹：初始系统概览 :dlG:=.W  
— 几何场追迹+(GFT+)： C7l4X8\w  
 窄带单色仪系统的仿真 oJc v
 D  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 |pT[ZT|}G  
U@".XIDQ  
2.系统说明 tv9 R$-cJ  
m4c2WY6k  
A2nL=9~   
<@c9S,@t  
3.系统参数

*Fd(  
wemhP8!gc  
1?y QjW,  
#!jwn^yq  
`$] ZT>&  
4.建模/设计结果 8$ _8Yva"e  
7] >z e  
.|LY /q\A  
cw;TIx_q  
总结 za5E{<0  
u0Opn
=(_  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 <[z9*Tm  
1. 仿真 )4FW~o<i  
以光线追迹对单色仪核校。 kybDw{(}gc  
2. 研究 _WBWFGj  
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。 k|rbh.Q  
3. 应用 z|m-nIM  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 tIW~Ng  
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。 ov Wm}!
r  
hhJ>>G4R2  
应用示例详细内容 XNkZ^3mq  
系统参数 `G>BvS5h  
X> V`)  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 r4pR[G._  
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。 K1*V\WRW5  
@=6$ImU  
ugQySg>  
\x~},!l  
2. 系统参数 03I*@jj  
!?GW<Rh  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 g-2(W  
{xQ(xy  
_vOSOnU  
kIH)>euZ  
3. 说明：平面波(参考) 3Ebk
q[/*%  
u[LsH  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ]]V|]}<)m  
cG4$)q;q  
*|.-y->  
xY`$j'u  
4. 说明：双线钠灯光源 `;3fnTI:1  
e`t-:~'  
fTV3lyk  
 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。 FrQRHbp3  
 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  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 $McbVn)~f  
LVNJlRK  
pa6-3c  
LX;" Mz>  
5. 说明：抛物反射镜 ?&$BQK  
; Ne|H$N  
Y~-P9  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 "S0WFP\P+  
 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。 oz?pE[[tm  
!^(?C@TQ  
/\UFJ  
@x/D8HK2  
kTS#>uS  
rL<a^/b/=  
6. 说明：闪耀光栅 qku!Mg  
>vc$3%L[$  
94GF8P  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Y #6G&)M  
 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 .L))EB  
C?7I(b:  
}:4b_-&Q5  
.a]9rQQ&_  
61&A`  
K_CE.8G&{  
7. Czerny-Turner 测量原理 #@K %Mx  
GGkU$qp2~  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 &bT \4  
yDe#,|-p  
z3Q#Wmv2  
K}9c$C4  
u%I |os]  
8. 光栅衍射效率 }ujl2uhM  
,p[9EW*8  
Ig"QwvR  
 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。 #Bi8>S  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ct
u`FQ  
 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) y:ad%,. C  
;]sbz4?  
KVZ-T1K  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd fFJu]  
$ {5|{`  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 S_dM{.!Z(,  
M Qlx&.>  
D:vX/mf;7  
OVa38Aucr3  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 TjLW<D(i>  
Y>Tok|PV  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ~Rk~Zn  
="__*J#nze  
|%c"A
vc  
t p<wMrq<  
 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)。 DRuG5|{I:  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 e|S_B*1*0  
qttJ*zu  
应用示例详细内容 X>4qL'b:z  
fsz:A"0H  
仿真&结果 \S[I:fw#&  
b,):&M~p  
1. 结果：利用光线追迹分析 6Us*zKgW  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 r`5svY  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 5!*@gn  
IT=<p60"  
o%sx(g=q6  
^M~Z_CQL2  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd FoB^iA6e  
nX|]JW  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 u;3wg`e  
 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)。 $, @,(M`i}  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， uwo\FI  
q3}WO]TBj  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 l7vxTj@(-  
Z|6,*XEc   
c@Q&
i  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms "`Mowp*  
-0f,qNF  
3. 衍射效率的评估 3*!w c.=  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 s5 ($b  
M" R=;n  
]mT2a8`c.r  
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。 !@4 i:,p@  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd Z+g9!
@'a  
jHQnD]Hr  
4. 结果：衍射级次的重叠 KuJNKuHa.  
 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。 Z,1b$:+  
 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)。 J1g+
H2  
 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。 PB?92py&  
 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) 0I['UL^!F  
 光栅方程： br%l>Y\"  
eI3ZV^_Ps  
 KGJ*h  
Ci_Qra 6  
i)th] 1K%  
5. 结果：光谱分辨率 (d>}Fp  
7ro&Q%  
9
>9,  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ]8/g[Ii  
d3"QCl  
6. 结果：分辨钠的双波段 7(l>Ck3B#  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 Y1R?,5  
   C2C1 @=w  
kJK*wq]U6  
?Sr7c|a2  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 5jAS1XG  
SW)jDy  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run qPoN 8>.  
m^gxEPJK  
7. 总结 SFR<T  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 \>[k0<  
1. 仿真 %U6A"?To  
以光线追迹对单色仪核校。 Z -fiJ75  
2. 研究 WS//0  
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。 7#(0GZN9h%  
3. 应用 $i@I|y/  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 {"c`k4R  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 pGd@%/]AO  
扩展阅读 FxmHy{JG  
1. 扩展阅读 xauMF~*  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 _p^$.\k"  
dngG=  
 开始视频 b|e1HCH  
- 光路图介绍 Mj`g84  
- 参数运行介绍 \,ne7G21j  
- 参数优化介绍 7n,=`0{r  
 其他测量系统示例： 8]D0)  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ]=ADX}  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) /j-c29nz