[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) `P@<3]  
np|Sy;:  
应用示例简述 +qN>.y!Y  
&~cBNw|  
1.系统说明 xWH.^o,"  
@Z_x.Y6  
 光源 @W.S6;GA\  
— 平面波(单色)用作参考光源 M5LfRBO  
— 钠灯(具有钠的双重特性) c`)\Pb/O  
 组件 %_H<:uGO%  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 F@D`N0Pte  
 探测器 GhAlx/K  
— 功率 ~f2z]JLr:  
— 视觉评估 V5@:#BIs  
 建模/设计 $j%'{)gK  
— 光线追迹：初始系统概览 RXMISt3+{y  
— 几何场追迹+(GFT+)： tH@Erh|%  
 窄带单色仪系统的仿真 ^cC,.Fdw  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 @-07F,'W,  
nQZx=JK  
2.系统说明 1/B>XkCJ  
~Y[r`]X`"m  
@f>-^  
AG nxYV"p  
3.系统参数 JJ-( Sl  
nt;m+by  
5:[0z5Hww  
3Y4?CM&0v  
=`oCLsz=  
4.建模/设计结果 dw>C@c#"  
BGZ#wru  
=osk+uzzG  
C\3rJy(VJ  
总结 Ys9[5@7  
VOsRAn/N  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Wx%H%FeK  
1. 仿真 ah$b[\#C  
以光线追迹对单色仪核校。 .&iawz  
2. 研究 \##zR_%  
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。 IZ-1c1   
3. 应用 |)DGkOtd  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Mmj;-u  
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。 \[i1JG  
.[KrlfI  
应用示例详细内容 se2!N:|R!G  
系统参数 tmYz R%i  
;W )Y OT  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 <]t%8GB2V  
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。 @Ns Qd_e  
~8Fk(E_  
`:fZ)$sY  
LzKj=5'Y  
2. 系统参数 ./Zk`-OBT  
LKB$,pR~1l  
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。 CJx|?yK2  
Xf]d. :  
i v38p%Zm  
qH>d  
3. 说明：平面波(参考) ;%9|kU  
3AtGy'NTp  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 "Qc7dRmSxm  
?pmHFlx  
(_]~wi-,  
R$<&ie6UQ  
4. 说明：双线钠灯光源 9d659iC  
Xza(k  
ifQ*,+@fxR  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 kd(8
I_i@  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 ORw,)l  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 DU'`ewLL7  
lIS-4QX1  
H[$"+&q  
!>&o01i  
5. 说明：抛物反射镜 nPl?K
:(  
C`9+6T  
`p-cSxR_  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 9wwqcx)3(  
 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。 s~g *@K>+  
u'DRN,h+  
sY Q
k  

4N3R|  
lvz7#f L~  
8qTys8  
6. 说明：闪耀光栅 %s|Ely)  
\'D0'\:vz  
5L%'@`mX  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 n
M*%o-  
 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 =s2*H8]  
1~ 3_^3OT  
Y"aJur=`  
S`0(*A[W*  
& l&:`nsJ  
q,|j]+
9q  
7. Czerny-Turner 测量原理 9}<ile7^  
+gtbcF@rx  
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。 JIOR4'9  
pJ"qu,w  
]72`};  
Be2DN5)  
Ckuh:bs  
8. 光栅衍射效率 6j]0R*B7`Q  
ucW-I;"  
[!#L6&:a8  
 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。 m@v\(rT.  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ;))+>%SGCt  
 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) SsDmoEeB[  
Vaw+.sG`AP  
,f'CD{E  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd @,7GaK\  
G@X% +$I  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 H=
v
UYz  
f+)L#>Gl?  
L48_96  
D8?Vn"  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 !``,gExH  
 {Gk1vcq  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 T_5H&;a  
YZ8>OwQz2  
eJX9_6m-  
uh>; 8  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 yjJ5>cg  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Vv=. -&'  
sBg.u  
应用示例详细内容 \?k'4rH  
)}Kf
=  
仿真&结果 Ka V8[|Gn,  
wE`]7mA  
1. 结果：利用光线追迹分析 p]+Pkxz]'  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 H40p86@M  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Fq<A  
rw JIx|(  
v$wIm,j  
o|<!"AD7  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd MKi0jwJM  
^k">A:E2  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 3bH'H*2  
 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)。 Y\8)OBZ  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， n 0L^e  
\X D6 pr@  
 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。 kxhWq:[c  
_A9AEi'.  
&n:.k}/P  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms >KhOz[Zg  
Y.rsR6  
3. 衍射效率的评估 GGs}i1m  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 p}~JgEE  
h3 }OX{k  
I,vJbvvl!  
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。 Qpc__dA\  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd T:yE(OBf  
ENs&RZ;  
4. 结果：衍射级次的重叠 @lrztM
 
 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。 )Y{L&A  
 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)。 V {ddr:]
4  
 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。 X\qNG]  
 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) K1yzD6[eW  
 光栅方程： +VOK%8,p  
-k e's  
>_T-u<E  
)1`0PJoHE  
fJ!R6D  
5. 结果：光谱分辨率 }Oq5tC@$G  
r52gn(,  
Pw"-S?`(  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ]jp6k<KF  
I:1C8*/  
6. 结果：分辨钠的双波段 T}v4*O.,  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 f(y:G^V  
   =MDysb&:  
d|Lj~x|  
{fT6O&br  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ;+
hH  
k=T\\]KxC  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run M&9+6e'-F  
T!)(Dv8@F  
7. 总结 MeZf*' J  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 VQOezQs\  
1. 仿真 '3^'B03  
以光线追迹对单色仪核校。 Ry6@VQ"NLb  
2. 研究 T'Dv.h  
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。 U0P~  
3. 应用 2.%ITB  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 uiR8,H9*M  
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。 CryBwm  
扩展阅读 >7DhTM-A  
1. 扩展阅读 }a(dyr`S  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ?)d~cJ  
A;?|&`f  
 开始视频 ,/|T-Ka
 
- 光路图介绍 suDQ~
\n  
- 参数运行介绍 di )L[<$DY  
- 参数优化介绍 Em~>9f ?Q(  
 其他测量系统示例： SSMHoJGm  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) oE]QF.n#  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) oj+hQ+>