[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) }tQ^ch;Q  
[@2$W?0i  
应用示例简述 ,'n`]@0?\  
@p@b6iLpO  
1.系统说明 z 'V$)U$f  
6(>,qt,9S  
 光源 =y=MljEX  
— 平面波(单色)用作参考光源 (|pM^+  
— 钠灯(具有钠的双重特性) R7A:K]iJ5  
 组件 qCB{dp/  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 QQt4pDir>  
 探测器 g""Ep  
— 功率 K'y|_XsBB)  
— 视觉评估 8~F?%!X  
 建模/设计 I]%Kd('  
— 光线追迹：初始系统概览 hrGX65>  
— 几何场追迹+(GFT+)： F\jawoO9  
 窄带单色仪系统的仿真 :x3xeVtY  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 :sttGXQX  
S%e)br}  
2.系统说明 0lOR.}]q  
tO?-@Qf/9<  
{q^UWv?1  
dK4w$~j{k  
3.系统参数 +.gj/uy*  
S|fb'  
FV{XPr%   
n:f&4uKoG<  
Ro;I%j  
4.建模/设计结果 yq1G6hw  
'<>?gE0Cd  
ErgWsAw-  
p=\Q7<Z6d,  
总结 }Syd*%BR[  
0\,!  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 nTD4^'  
1. 仿真 YABi`;R]'  
以光线追迹对单色仪核校。 =MvB9gx@r  
2. 研究 qC5IV}9`  
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。 x[u6_6=q9  
3. 应用 w"W;PdH)  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 #. 71O#!  
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。 [Zzztn+  
cc
8Q}   
应用示例详细内容 <8YvsJ  
系统参数 h lSav?V_  
saDu'SmYV  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 LIKQQ  
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。 #hk5z;J5
 
^Pah\p4bj  
`Y^l.%AZZ  
+(W7hK4ip  
2. 系统参数 0g~Cdp  
9m\Yi  
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。 p=^6V"'  
U$S{j&?  
#N%j9  
G(ZEP.h`u  
3. 说明：平面波(参考) L$rr:^J  
.&`apQD}  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 "{trK?-8%  
YQWq*o^:  
dpX Fx"4A  
IM,4Si2  
4. 说明：双线钠灯光源 < +kdL  
mD|Q+~=|e  
fsWIz1K  
 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。 awjAv8tPO!  
 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)。 VDxF%!h(  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 P]OUzI,  
m&z(2yb1  
~N7;. 3 7  
SBdd_Fn  
5. 说明：抛物反射镜 Wyow MFp  
YK5(oKFN  
ZE= Yn~XM  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 /5Vv5d/Z4!  
 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。 5:#|Op N  
(_6JQn  
id" l"  
~Nf|,{[(5  
JT=ax/%Mo  
l?YO!$  
6. 说明：闪耀光栅 NciIqF  
>yVp1Se  

Do5.  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 0c8_&  
 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 EziGkbpd@  
1o_6WU  
iq^;csyKb  
)4.-6F7U?  
qJ<l$Ig  
n)z:C{  
7. Czerny-Turner 测量原理 b'z\|jY  
S
LUQFoz}  
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。 /Ahh6=qQY  
p)]x,F  
0\s&;@xKk  
-M_>]ubG  
x9S9%JG :  
8. 光栅衍射效率 9\T9pjdZE  
2;J\Z=7  
%o{IQ4Lz#  
 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。 Azp!;+  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 zSu,S4m_;  
 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) *"4l}&  
p=zTY7L  
[tElt4uG  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd ,A)Z.OWOq  
Q#.E-\=^  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 OdNcuiLa  

uPxjW"M+  
fO .=i1 E}  
X#K;(.},h  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 8G9( )UF.  
<P6d-+  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 rk@qcQR  
065=I+Vo  
yy&L&v'  
+P,ic*Kq*  
 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)。 A wk1d  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 t}?-ao  
-P&uY`  
应用示例详细内容 R,=8)OI2  
]VE3u_kR  
仿真&结果 R
*XZPzg%  
r4fg!]J;  
1. 结果：利用光线追迹分析 x;-D}#  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 KaHe(  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 F- u"zox  
qDhZC*"9#D  
<RY!Mc  
6A}tA$*s7  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd gj
zWW0C  
u47`&\  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 q(L.i)w$  
 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)。 rmtCCPF?0  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 
EAKW^'D  
fwMYEj  
 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。 <F"G~.^ *s  
HDKY7Yr  
LP'q$iB!  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms g)D@4RM  
m({q<&]Qp  
3. 衍射效率的评估 3>73s}3  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 UQ7La 7"  
pGyk61  
bFlI:R&<  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 ]KXyi;n2  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd o{n#f?EA  
!|]k2=+I  
4. 结果：衍射级次的重叠 (njTS+?  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 pv&iJ7RN  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 Qz%q#4Zb  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 aI`d  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) Br&&#  
 光栅方程： x2aG5@<3  
)1R[X!KQ7  
@H(7Mt  
qQO*:_ezzk  
2Ur&_c6P  
5. 结果：光谱分辨率 fQg^^ZXe"  
v)nv"o[  
WX_g  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run "{H{-`Ni  
Yl$@/xAa  
6. 结果：分辨钠的双波段 1p&=tN  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 >r,z^]-  
   K V?+9qa,  
PU B0H  
Us2> 5 :\  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 hb/Z{T'  
f;l}Z|dok6  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run qs_cC3"=%=  
*8yC6|wL?  
7. 总结 bJR\d0Z  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 0]]OE+
9<c  
1. 仿真 *-q
&~  
以光线追迹对单色仪核校。 l=S!cj;  
2. 研究 ;p
fN  
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。 tI#65ox#  
3. 应用 f4NN?"W)  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 D;+Y0B  
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。 xcQ^y}JN  
扩展阅读 `zl,|}u)  
1. 扩展阅读 p-rQ'e  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 48G^$T{  
XbFo#Pwk  
 开始视频 `022gHYv  
- 光路图介绍 /~fu,2=7  
- 参数运行介绍 .RmoO\ ,Gm  
- 参数优化介绍 FB
>P39u  
 其他测量系统示例： S==0/  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) aM,g@'.=  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) s- 0Xt<