[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) b1>$sPJ+  
(krG0S:0Q  
应用示例简述 h&)vdCCk  
#u=O 5%.  
1.系统说明 fN*4(yw  
k#=leu"I  
 光源 r+#V{oE_  
— 平面波(单色)用作参考光源 Y`O}]*{>8R  
— 钠灯(具有钠的双重特性) k}0  
 组件 M"$RtS|h  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 by y
1MgQd  
 探测器 _467~5JkU  
— 功率 \=G Xe.}4d  
— 视觉评估 U/&qV"Ih  
 建模/设计 owY_cDzrH  
— 光线追迹：初始系统概览 k&"qdB(I  
— 几何场追迹+(GFT+)： 3]]6z K^i  
 窄带单色仪系统的仿真 &$z1
Hz+l  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 k#r7&Y  
rnBeL _8C  
2.系统说明 ]jY)M<:J4  
N
8(x),  
0JRBNh  
Vq7 kA "  
3.系统参数 \w_[tPz}  
;WAu]C|  
F5Q.
Vh  
U)%u`C
0  
[[DFEvOEh  
4.建模/设计结果 5'Ay@FJ:  
%mvx}xV  
]{U*+K%,J  
i&Cqw~.H  
总结 4sE=WPKF#  
$I0a2Z=dP  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 xs`gN  
1. 仿真 ~9;mZi1-  
以光线追迹对单色仪核校。 ;B7|tajd  
2. 研究 5e8-?w%e  
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。 AezXou&  
3. 应用 7IW7'klkvD  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 A_ z:^9  
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:RS g9  

4IE#dwZW  
应用示例详细内容 G%/cV?18  
系统参数 vKLG9ovlY  
GuDD7~qxY  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 .%h_W\M<l  
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。 -*
j;  
r~a}B.pj  
m,_oX1h  
b|'LtL$Y  
2. 系统参数 gz:c_HJ  
= $Yk8,  
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。 RaqrVC  
~a)20  
.qP zd(<T7  
goWt!,&f  
3. 说明：平面波(参考) j+v)I=  
0drc^rj !  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 M/ \~  
Pl ,M>IQ  
N#qoKY(#  
#jR?C9&!(  
4. 说明：双线钠灯光源 wIPDeC4  
0(.C f.B~  
u(qpdG||7  
 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。 eVJL|uI|  
 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)。 RR9s%>^  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 C_;6-Q%V  
+<#-52br\  
7wiu%zfa:=  
? -tw*2+  
5. 说明：抛物反射镜 #]a0 51Y  

-rrg?4  
r4'Pf|`u  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 S|i //I%_  
 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。 NI
GFu{S  
(yVI<Os{a  
jk?(W2c#{  
qz):YHxT]n  
PI?[  
9)`wd&!  
6. 说明：闪耀光栅 :I8t}Wg  
O\z%6:'M  
2I5@zm ea  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 MiI7s;  
 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
?
2agU  
^YV[1~O  
%r!
-*p<i|  
ME"/%59r  
 +yk
>jx  
!cZIoz  
7. Czerny-Turner 测量原理 -`JY] H  
Ex{]<6UAu  
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。 YrX{,YtiX  
_;9)^})$  
?UzHQr  
Ki2_Nh>tM  
|b'AWI81D  
8. 光栅衍射效率 8d
NJZoV  
b?l\QMvi  
*^]ba>  
 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。 X|:O`b$G  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 @,hvXl-G*  
 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) .#SWfAb2h  
V3S`8VI  
,k4 (b  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd Mh\c+1MFs  
]dH;+3}  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 eL*Edl|#  
"&~Um U4CN  
wcO_;1_ H  
&7cy9Z~m  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。
#F kdcY  
aO{k-44y  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 d+kI
of,  
X#fI$9a  
FTn[$q  
5,A/6b  
 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)。 2Ig.hnHj  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 BX?Si1c  
gC?k6)p$N  
应用示例详细内容 /Bc ;)~  
Ha<(~qf  
仿真&结果 D`+'#%%x  
7@:uVowQ  
1. 结果：利用光线追迹分析 8ARpjYZP  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Oo,<zS=ICk  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Vki3D'.7N  
oY &r76  
v vFX\j3  
_d:l1jD  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 3.Y/ZWON  
{epsiHK@tK  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 &
BP%~  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 \'shnzs  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， B>Mk "WjQ  
+Oo>V~  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 `6'fX[j5  
i-$]Tg  
dQt]r  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms !pgkUzMW  
Rb?6N  
3. 衍射效率的评估 wPOQy~:  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 =MA$xz3  
zbrDDkZ1  
Y*0mC"n}  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 -B'<*Y  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd zl$'W=[rFs  
cZi/bIh  
4. 结果：衍射级次的重叠 dG\dGSZ\h  
 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。 40+
~;20  
 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)。 THC34u]  
 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。 }Til $TT%H  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) ry0P\wY}  
 光栅方程： }9=VhC%J  
*Mk5*_  
mGb,oj7l  
D}OvD |<-  
rxJmK$qd  
5. 结果：光谱分辨率 I'm.+(1m,  
=c:K(N qL  
N$i!25F`  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run jt=%oa  
+/E`u|%|\]  
6. 结果：分辨钠的双波段 0e-M 24,C  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 'GcN9D  
   ,t2Mur  
s|FfBG  
.'aW~WR  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 u 6A!Sw  
k/srT<  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 9}G.Fr  
N;gI %6  
7. 总结 _[M*o0[@W  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 kbu.KU+  
1. 仿真 B*B}eXUph  
以光线追迹对单色仪核校。 f_'#wc6  
2. 研究 ,X^I]]  
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 FMx(fD  
3. 应用 c{4Y?SSx  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 HFlMx  
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。 4@0y$Dv\  
扩展阅读 Oc A;+}>  
1. 扩展阅读 '
wA4}f  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 I.'(
n8*  
~
&{LMf  
 开始视频 'fo.1  
- 光路图介绍 'TwvkU"  
- 参数运行介绍 *M^(A}+O  
- 参数优化介绍 `!- w^~c  
 其他测量系统示例： O> .gcLA  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) D05JQ*  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) _98 %?0