[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) <!XnUCtV  
usf(U>  
应用示例简述 Dq4
}VkY  
Jn&>Z? @  
1.系统说明 &`2*6 )qa  
t1g%o5?;  
 光源 @soW f  
— 平面波(单色)用作参考光源 sswAI|6ou  
— 钠灯(具有钠的双重特性) BTtYlpN6  
 组件 8@ gD03  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 -3U} (cZ*  
 探测器 LgKEg90w(  
— 功率 I3b-uEHev  
— 视觉评估 lfd{O7L0b  
 建模/设计 Qnh
1su5  
— 光线追迹：初始系统概览 iqP0=(^m  
— 几何场追迹+(GFT+)： W\Y 4%y}  
 窄带单色仪系统的仿真 b?L43t,  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 F$p,xFH#  
n:kxG  
2.系统说明 k-0e#"B  
o%Q2.  
RM$S|y{L  
scwlW b<N  
3.系统参数 )dDmq  
I65GUX#DV  
<rxem(PPu  
y%Ah"UY  
:PkSX*E[q  
4.建模/设计结果 nwH|Hs riU  
5|z[%x~f  
ueo3i1  
#R|4(HlL  
总结 Y:BrAa[  
40/[uW"  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Yb/
^Qk59  
1. 仿真 \?}.+v  
以光线追迹对单色仪核校。 c~;.m<yrf  
2. 研究 w`:KexD+  
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。 <!$Cvx\U  
3. 应用 q\Z1-sl~s  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 gRSG[GMV  
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。 K?WqA
VK  
]z NL+]1_  
应用示例详细内容 LnIJwD  
系统参数 Cvy;O~)  
0Z(b/fdS  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 5J3kQ;5Q?  
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。 tJ3s#q6  
qpCi61lTDJ  
rR;Om1 -,  
B9\o:eY  
2. 系统参数 {'[1I_3  
H8U*oLlc  
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。 $E6uA}s  
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1z.J  
cMAfW3j: ;  
)qe o`4+y  
3. 说明：平面波(参考) #kEdf0  
SNFz#*
  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 Stpho4+/y  
|R;=P(0it  
Rwk|

cqr  
H*IoJL6
 
4. 说明：双线钠灯光源 L}+!<Ug  
 _>l,%n  
qB`P7!VN^]  
 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。 9X~^w_cdk  
 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)。 #'oK
krl  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ;?9~^,l  
-)GfSk   
Zup?nP2GkT  
!j@ 8:j0WY  
5. 说明：抛物反射镜 x&wUPo{  
@ck2j3J/  
4g9VE;Gd  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 &gfQZxT  
 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。 <j'#mUzd  
gS
]'^Sr  
}, H,ky  

b04~z&Xv  
2}AV_]]  
{iv=KF_S_  
6. 说明：闪耀光栅 gg9W7%t/  
vPi+8)  
'7^_$M3$\  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 A(B2XBS!?  
 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 CpXv?uU  
7E'C o|  
I{$|Ed1  
*`W82V  
f&|SG
D*  
f$L5=V  
7. Czerny-Turner 测量原理 w_  m  
)yk LUse+  
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。 W0|?R6|  
6lPGop]js]  
/T@lHxX  
4ET P  
O-k(5Zb  
8. 光栅衍射效率 -T>`PJpJuL  
dxA=gL2  
-3Ffk:  
 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。 sfLBi~*j  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 4_ 3\4  
 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) O_033&  
K;Ktx>Z/  
S}+n\pyQ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd Jad'8}0J  
+W}f0@#)<  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 & 3gni4@@  
R]dB Uu  
 `@p*1  
_LK(j;6K}  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 @`3)?J[w  
`]Xbw^Y'x  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 SWu=n1J.?H  
4-o$OI>  
Sb<=ROCg@  
opBvx>S  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 h)w<{/p(  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 r8qee$^M  
czj[U|eB}=  
应用示例详细内容 kmf4ax h1  
Z^sO`C  
仿真&结果 sx9N8T3n  
UuN(+&oD-  
1. 结果：利用光线追迹分析 MRs8l  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 T+\BX$w/4e  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Qtk'^Fc  
Qr/?tMALc  
V!oyC$eV  
7BC9cS(0w9  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd Y$N|p{Z  
1{A4_/R
 
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 te1
lUQ  
 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)。 &Z9b&P  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， j*P@]&e7d  
2 `#|;x^<  
 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。 9Y7 tI3  
/%.K`BMN  
sg3%n0Ms.W  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms Z*JZUbo-Q  
o;"!#Z 1SJ  
3. 衍射效率的评估 @x)z" )>  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 1@/+ c  
> vgqf>)kk  
7n#0eska,  
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。 1j}o.0\  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd VRD2e ,K  
$u>^A<TBN  
4. 结果：衍射级次的重叠 iJ~pX\FKO  
 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。 &fW;;>  
 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)。 )xi|BqQz  
 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。 $BG9<:p  
 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) B-o"Y'iXs  
 光栅方程： ~ejHA~QC  
hj-M #a  
uu(.,11`  
py)V7*CgH  
Am-JB
 
5. 结果：光谱分辨率 L-Z1Xs  
~,ac{%8x  
6MZfoR  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run SMnbI
.0  
(!;4Y82#  
6. 结果：分辨钠的双波段 I5  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 x*(pr5k  
   #B54p@.}  
4/HyO\?z5  
7n%QP  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 (R.k.,z  
a "8/y4Y  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run GK:*|jV  
tk~7>S  
7. 总结 GX(p7ZgB2  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 cD7q;|+  
1. 仿真 ;IwC`!(#  
以光线追迹对单色仪核校。 ^m?h .  
2. 研究 89~)nV)  
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。 cJL>,Z<|%  
3. 应用 V[CS{H
y'  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 QRx'BY$5  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 9Lv`3J^~  
扩展阅读 AM,@BnEcuT  
1. 扩展阅读 OfIml.  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 /S
Sl$  
Zb3E-'
G+  
 开始视频 9].!mpR  
- 光路图介绍 )J5(M`  
- 参数运行介绍 `
}s)0 /}6  
- 参数优化介绍 D{\hPv  
 其他测量系统示例： "c=\?   
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 3]/w3|y  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ,f4Hl%T;