[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) \>/M .2  
LxN*)[Wb  
应用示例简述 /'DwfX  
SpTdj^]4>  
1.系统说明 JN3cg  
uV6g[J  
 光源 ,2[ra9n  
— 平面波(单色)用作参考光源 p#8
W#t$  
— 钠灯(具有钠的双重特性) F_;tT%ywfx  
 组件 Tp%(I"H'_;  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 "kW!{n  
 探测器 1qdZc_x  
— 功率 D #2yIec  
— 视觉评估 eo]#sf@\0  
 建模/设计 7hNb/O004  
— 光线追迹：初始系统概览 h\[\\m O  
— 几何场追迹+(GFT+)： }E<^gAh}  
 窄带单色仪系统的仿真 l3i,K^YL  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 |KCOfVh?|.  
f?f
Khu2  
2.系统说明 #G^A-yjn  
=Ov7C[(  
=odkz}bU  
[.yJV`  
3.系统参数 P8yIegPY  
T8J4C=?/  
_cqy`p@"  
0OZMlt%z  
5OLQw(E  
4.建模/设计结果 qojXrSb"y  
NC23Z0y  
(yrh=6=z  
(
'k<XOi  
总结 !|{IVm/J  
*MM#Z?mP  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 &V=7D#L  
1. 仿真 1TJ0D_,  
以光线追迹对单色仪核校。 (RL>Hn;.  
2. 研究 {eZ{]  
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。 Pi6C/$ K  
3. 应用 l[h'6+o  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 _2Py\+$  
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。 ;2`sN   
kE
N#u  
应用示例详细内容 c$M%G)P  
系统参数 6F0(aGs  
 mw$Y  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 S>:,
z}i  
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。 kToOIx  
X T>('qy  
'ig, ATY  
t 0O4GcAN  
2. 系统参数 wz(K*FP  
tai Vk4  
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。 ? Nj)6_&  
#gZ|T M/h  
M@7Xp)S"  
e-6w8*!i  
3. 说明：平面波(参考) &w\I<J`T  
:hqZPajE  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 c
[(Pg%  
DguB  
bH9Le  
s@@1 *VQ  
4. 说明：双线钠灯光源 :=.*I  
:F(9"L  
fEqC] *s  
 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。 v<h;Di@  
 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)。 S7sb7c'4 k  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 <0j{ $.  
L]-w;ll-  
/^<en(0=P  
h8v>zNf'  
5. 说明：抛物反射镜 3'#%c>_  
/tKGwX]y  
rxE&fjW  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 h7W}OF_=y  
 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。 {*xBm#  
'D6 bmz  
`BT^a =5  

F=Y S^  
'
`o[+.  
Q1V2pP+=@  
6. 说明：闪耀光栅 /tC9G@Hl  
UKs$W`
 
r*d Q5 _  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 xs1bxJ_R  
 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 K`(#K#n  
dU+0dZdKO  
^, wnp@
 
yYX :
huw  
mxL;;-  
{hd-w4"115  
7. Czerny-Turner 测量原理 (,tHL  
=]KIkS3  
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。 Bbs 0v6&,  
}su6izx  
4x]NUt  
jtLnj@,  
lC{L6&T  
8. 光栅衍射效率 NcM3P 
G  
LDX y}hm)  
y:9?P~  
 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。 )52#:27F  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 G5umeqYC  
 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) 1.dX)^\  
>w2f8tW`PP  
D;C5,rNt  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd sH@  &*  
UzJ!Y/5  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 \7DCwu[0M  
T>5wQYh$'  
&<t79d%{  
`\e'K56W6  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 E6Q91Wz9f  
m9I(TOw  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 8E-Ip>{>  
APOea  
ku-cn2M/  
2_I+mQ  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 .Nk
6  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 D/*vj|  
8z0Hx  
应用示例详细内容 `U!(cDY  
G\uU- z$)  
仿真&结果 9QZ}Hn`p  
NC;T( @  
1. 结果：利用光线追迹分析 +Bn?-{h=  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 yq!CWXZ2  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 ~{9x6<g!  
FfjC M7?  
y^, "gD  
4fD`M(wv  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd
PXR0Yn  
83B\+]{hD  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 0:HC;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)。 V02309Y  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， <%he o  
+<H !3sW  
 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。 vW9^hbdx  
uAChu]  
HH+TjX/b  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms Qa>%[jx,@,  
NT'Ie]|  
3. 衍射效率的评估 >Zi|$@7t-  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。  'Dnq+  
imC&pPBB/G  
X5|?/aR}  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 {c.}fyN  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd %`bLmfm  
)kFme=;  
4. 结果：衍射级次的重叠 q
=T<^Tk#e  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 RJQ/y3  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 9c#L{in  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 c"6Kd$?M  
 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) Ufyxw5u5F  
 光栅方程： 3 t~X:  
dP$y>%cB  
#Lu4OSM+  
B(HNB\3u  
r9U[-CX:"  
5. 结果：光谱分辨率 {6REfY c  
:/n ?4K^  
jFI]54,  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run k i~Raa/e  
Yqq$kln  
6. 结果：分辨钠的双波段 }s8*QfK>  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 Z3&XTsq  
   M)bC%(xJ  
,i1fv "  
#l8K8GLuf  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 C{lB/F/|!  
&q kl*#]  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run >B|ofwm*  
67EDkknt  
7. 总结 ~cWLu5  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 #CBo  
1. 仿真 SV$ASs  
以光线追迹对单色仪核校。 "'LOaf$X  
2. 研究 lUm}nsp=X  
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。 I+-Rs2wb  
3. 应用 vErbX3RY2  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 '8iv?D5M  
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。 @idp8J [td  
扩展阅读 |$i1]Dr6  
1. 扩展阅读 @5POgQ8  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ln_EL?V  
MzA  
 开始视频 0Mzc1dG:  
- 光路图介绍 c'VtRE# z~  
- 参数运行介绍 t2U]CI%  
- 参数优化介绍 c9F[pfi(  
 其他测量系统示例： 5}(YMsUb  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ff2.|20  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002)
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