[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) MtK5>mhZI`  
Y.8mgy>   
应用示例简述 FuO'%3;c  
@33-UP9o  
1.系统说明 PF-"^2&_  
C9cQ} j:  
 光源 <k2]GI-}h  
— 平面波(单色)用作参考光源 L3X[; |v}  
— 钠灯(具有钠的双重特性) AlT04H
  
 组件 !CuLXuM  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 J+8T Ie  
 探测器 *mXs(u  
— 功率 \YsYOFc|  
— 视觉评估 X6: c-  
 建模/设计 '|K408i   
— 光线追迹：初始系统概览 v]BMET[w  
— 几何场追迹+(GFT+)： MQGR-WV=5  
 窄带单色仪系统的仿真 sMAu*  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 Kg;1%J>ee  
0~j0x#  
2.系统说明 {KalVZX2R  
c*x5t"{  
k-\RdX)E  
'x!
5fAy  
3.系统参数 v/WvT!6V`  
].<B:]:,  
Az>gaJ/_  
qU,u(El  
?)B\0` %*'  
4.建模/设计结果 u@-x3%W  
+ %07J6  
IPT\d^|f  
}Qm: g  
总结 P ||:?3IH  
JA~v:ec  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ')>&:~  
1. 仿真 |\MgE.N  
以光线追迹对单色仪核校。 P>3 ;M'KsO  
2. 研究 G\ht)7SGgf  
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。 Grw|8xN0t  
3. 应用 ,P9q[  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Cl
5l+I\1  
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。 11(:#4Y,  
u:f.g?!`"  
应用示例详细内容 Wc+)EX~KS  
系统参数 9vZD?6D,n  
g",htYoEnj  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 P6ztP$M(  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 Q5H! ^RQm  
9I;d>%  
P[E5e+A)  
yy%'9E ldc  
2. 系统参数 LJAqk2k  
:_FnQhzg  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 (/r l\I  
&6`h%;a/&  
Ej]:j8^W  
RHc-kggk!  
3. 说明：平面波(参考) fGtUr_D  
VNcxST15a  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 YxUC.2V|7$  
)E.!jL:g  
S_VZ^1X]  
1]i{b/ 4  
4. 说明：双线钠灯光源 V_T.#"C4=z  
i0y^b5@MOb  
*+ql{\am4N  
 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。 n5~7x  
 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)。 ^T#bla893  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 1webk;IM  
\Y0o~JD  
<B?@,S>  
J7`fve  
5. 说明：抛物反射镜 .BR2pf|R  
Wz~=JvRHh  
\L"Vx9xT  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 x9s7:F  
 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。 ]b"Oy}ARW  
]{Ytf'bG  
V kA$T8  
1gwnG
&  
I$Bu6x!  
[zO:[i 7  
6. 说明：闪耀光栅 _bi]Bpxf  
McRAy%{z  
p=7
{  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 4'ym vR  
 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 .>Gnb2  
}Ss]/_
t  
*f[nge&.  
sO,%Ok1  
5,I|beM  
s[ ze8:  
7. Czerny-Turner 测量原理 i|]Kw9  
=q1=.VTn  
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。 ] rP^  
{{G`0i2KV  
#mI{D\UR  
g[]UM;D*  
q`HuVilNH  
8. 光栅衍射效率 Rr'#OxF  
vr,8i7*0  
TSGJ2u5ie%  
 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。 E<j}"W$a  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 _6b?3[Xz  
 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) i'w8Li  
hV(>}hb  
?s=O6D&   
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd
kYlsjM  
$2p=vi3  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 {`FkiB` i  
5s=ZA*(sY  
_2eRH@T  
k`l={f8C  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ewo]-BQS  
mv5=>Xc6  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 a'T8U1  
2 L>;M  
a.n;ika]-  
UlG8c~p  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 :~I^ni  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 9O8na 'w  
BHVC&F*>  
应用示例详细内容 Zj+S"`P  
:y/1Jf'2f  
仿真&结果 |WiE`&?xP  
:]Nn(},  
1. 结果：利用光线追迹分析 r8.`
W\SKX  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 1V\tKDM  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 /5Od:n  
}V:B,:  
dRdI('  
y:Wq;xEiDo  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 7Ei,L[{\i#  
F@8G,$  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 @q98ac*{  
 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)。 B0h|Y.S8%1  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， '|I8byiK  
zBQV2.@  
 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。 1@dB*Jt  
/ [s TN.MG  
O$qxo &  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms `"(FWK=8)"  
Su]@~^w  
3. 衍射效率的评估 \;!}z3Ww  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 &$$o=Yg,  
D*%?0  
_#UiY ffa*  
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。 t5| }0ID-  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 3`JLb]6  
V-{3)6I$hG  
4. 结果：衍射级次的重叠 = 9Ow!(!@  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 6
"h,0rR  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 ag_*Z\  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 \aN*x  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) NmuzAZr  
 光栅方程： H;h$k]T  
t)4><22of  
|p .o^  
HzMr  
Dhe*)  
5. 结果：光谱分辨率 o2 ;  
*;&[q{hz  
-;:.+1  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ]\C wa
9  
>\7Mf@c  
6. 结果：分辨钠的双波段 22T\-g{  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 0h=}BCb+i  
  
r4isn^g  
}@y(-7t  
`SH14
A*  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 O"GuVC}B  
^Q\Hy\  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run mo?*nO|-  
b9xvLR8  
7. 总结 kR+7JUq]  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 QZm7 Q4  
1. 仿真 9Q.@RO$%C  
以光线追迹对单色仪核校。 45,):U5  
2. 研究 Op'&c0l  
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。 5|jsv)M+  
3. 应用 9+iz+  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 M ZAz= )-  
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。 _f1;Hho
a  
扩展阅读 h+ms%tNT  
1. 扩展阅读 *mJ\Tzc)  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 z:ZXdB)L)  
4;bc!> sfC  
 开始视频 @<jm+f"MP  
- 光路图介绍 [[#R ry  
- 参数运行介绍 k%TBpG
:T  
- 参数优化介绍 3xz|d`A  
 其他测量系统示例： LVNA`|>  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 2lCgUe)N  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 6lPuYEmT