[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) #9=Vg  
^Xz@`_I  
应用示例简述 4aug{}h("  
>R|/M`<ph  
1.系统说明 LY+@o<>  
 52Yq  
 光源 u:}%xD6  
— 平面波(单色)用作参考光源 LmRy1T,act  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 2"COP>  
 组件 )Fc%+TpKi  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 .[YuRLGz  
 探测器 H h4WMZJG  
— 功率 ]z;P9B3@&  
— 视觉评估 X enE^e+9  
 建模/设计 }?lrU.@zg  
— 光线追迹：初始系统概览 E!;SL|lj.  
— 几何场追迹+(GFT+)： )z>|4@,  
 窄带单色仪系统的仿真 =-tw5], L  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 OwuE~K7b{  
$5>e  
2.系统说明 n*o-Lo+Fe.  
O8^A5,2@3>  
4d"r^y'  
Ii6<b6-  
3.系统参数 rDl*d`He!  
_ "E$v&_  
P)"noG_'i  

/Jta^Bj  
e4-@f%5  
4.建模/设计结果 FW.7'7G@n  
vjLJinJ/  
w!#tTyk`  
m)8BgCy  
总结 \Bz_p'[G  
q$p%ZefZ  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 xg30xC[  
1. 仿真 0mpX)S  
以光线追迹对单色仪核校。 (DJ"WG  
2. 研究 zofa-7'Bn  
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。 D{!6Y*d6&s  
3. 应用 >f^r^P  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 c>,KZ!  
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。 f0A{W/0n  
YD<:,|H  
应用示例详细内容 >~#yu&*D  
系统参数 Ha(c'\T(\  
,NOsFO-`<  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 dW)B1iUo!  
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。 #TeG-sFJg@  
5c9^-|-T  
*jLJcb*.Ap  
]5mnew  
2. 系统参数 ~Uj=^leYO  
&]g}u5J!=  
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。 %fc!2E9|  
c7<wZ  
jGJLSEe_  
C](f>)Dz /  
3. 说明：平面波(参考) F7 5#*  
mGtdO/C#B  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 I*o
()  
Nc1"g1JR  
? 8)'oMD  
Hek*R?M|  
4. 说明：双线钠灯光源 !-ok"k0,u  
;i8g41qjF  
yu;+o3WlK  
 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。 b v G/|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)。 cq5jPZ}  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ^b/ Z)3  
g~ZvA(`  
"K ~  

,
f<?;z  
5. 说明：抛物反射镜 g
=39C
>  
3Q"<<pi!~  
BYpG  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 7OC#8,  
 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。 dOa+(f
Me  
'ZT^PV\  
"/)#O
~  
uYn_? G  
dpJ_r>NI  
M:XSQ["6>V  
6. 说明：闪耀光栅 wE[]6\_x1  
u_hD}V^x4  
O#b6mKPt;t  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 +$u$<z3Q  
 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 ! _f9NK  
p%#<D9S  
|P[w==AAf  
fo5i
Jz"Z  
/rMI"khB  
05z,b]>l  
7. Czerny-Turner 测量原理 V:qSy#e  
tU4s'J  
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。 -
!q:p&c  
Z LB4m`  
^]7}YF2|  
q_TRq:&.  
FQm`~rA~zt  
8. 光栅衍射效率 9G9fDG#F\I  
ahuGq'  
SFO({w(  
 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。 H#NCi~M>3  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 {F3xJ[  
 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) esHg'8?U  
3wOZ4<B  
./,/
y"x  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd B{|8#jqY  
C3*gn}[  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 <<@bl@9'  
yXz*5W_0D  
"|Xk2U  
2-7IJ\  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ~kShq%  
kB3H="3[[  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 $8;R[SU6Y  
'3_]Gu-D  
aAJU`=u
q  
ozAS[B6  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 cJN7bA{  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 txW{7+,  
W=vG$  
应用示例详细内容 &f"-d  
}3o|EXx=  
仿真&结果 SNfr"2c'h~  
a&tSj35*6  
1. 结果：利用光线追迹分析
5i>$]*o  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 plUZ"Tr  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 E^QlJ8  
,u!*2cWN  
[baiH|5>  
|?rNy=P,  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd >_e]C}QUr  
Q o?O:  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 /s?r`'j[  
 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)。 Ey_" ~OB  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， g}f`,r9
  
*FC=X)_&W  
 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。 L%BNz3:Dt  
v\!Be[ ?  
fF?z|  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms [K9'<Qnu  
)>.&N[
v  
3. 衍射效率的评估 <Fi%iA  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 {XNREjhm  
3^R&:|,  
p<zSJLN  
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。 Y,WuBH  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd >_o}  
XM1WfjE\  
4. 结果：衍射级次的重叠 )=5ng-  
 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。 ~Q?a|mV,  
 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)。 zhpx"{_  
 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。 T^w36}a  
 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) S/^"@?z,vE  
 光栅方程： >H'4{|  
<<(wa j  
'XZ)!1N  
MOsl_^c  
9/hrjItV  
5. 结果：光谱分辨率 kB/D!1 "  
U'R)x";=  
gUxP>hB  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run @n(Z$)8tR  
*$p2*%7Ne  
6. 结果：分辨钠的双波段 +VCGlr  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 D[^m{ 9_  
   D$bIo"  
hvA^n@nr  
<z]cy
Xv/  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 /wP@2ADB  
+)j$|x~(A  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 5#> 8MU?&  
{P{bOe  
7. 总结 0Uz\H0T1  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 aCQ?fq  
1. 仿真 NXNY"r7~  
以光线追迹对单色仪核校。 rypTKT|U;  
2. 研究 5D_fXfx_|  
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。 kB'Fkqwm  
3. 应用 i|T)p_y(!a  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 O>^C4c!  
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。 sB^<6W!`(  
扩展阅读 e '2F#  
1. 扩展阅读 0BH_'ZW  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Z$0uH*h  
#
bl6sa{E  
 开始视频 t: #6sF  
- 光路图介绍 o3I Tr';  
- 参数运行介绍 2_zp:v  
- 参数优化介绍 BO~PT,QrF  
 其他测量系统示例： MxGu>r  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) L5#P[cHzz  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) wQwQXNG