[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) \Q?r+VZ  
n'1pNL:  
应用示例简述 cW26TtU(  
Cz Jze  
1.系统说明 {Aj}s3v  
5X nA.?F^  
 光源 P$N\o@  
— 平面波(单色)用作参考光源 ?W9$=  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 3F[z]B  
 组件 {*`qL0u]^  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 %gJf&A  
 探测器 zy8W8h(?  
— 功率 ^4O1:_|G  
— 视觉评估 QW|,_u5j  
 建模/设计 -j`tBv)  
— 光线追迹：初始系统概览 gx#xB8n  
— 几何场追迹+(GFT+)： tV9nC  
 窄带单色仪系统的仿真 B~V^?."  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 0tC+
?  
uYhm Fp  
2.系统说明 gsqlWfa  
My76]\Psh  
|(*ReQ?=  
F# y5T3(P  
3.系统参数 V?t^ J7{'  
tVvRT*>Wb  
S j)&!  
fl!8\4  
H@qA X  
4.建模/设计结果 s6lo11  
CQW#o_\  
0ym>Hbax)  
GP<A v1  
总结 i!LEA/"V  
MVs@~=  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 6x^#|;e>lI  
1. 仿真 ly7\H3  
以光线追迹对单色仪核校。 d0"Hu^]  
2. 研究 "6w-jT  
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(^&0c>P  
3. 应用 U ]`SM6  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 M^AwOR7<  
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。 >u ,Ac:  
G<#9`  
应用示例详细内容 IC{\iwO/~c  
系统参数 %
YlL-*7L  
Kp'_lKW)]q  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 b lP@Cn2  
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。 y>_lxLhmO#  
SpU+y|\[0  
uPr'by  
)q8w+'z  
2. 系统参数 I} m\(TS-"  
;!q _+P  
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。 vxhs1vh  
c Owa^;  
rG|lRT3-K  
zc01\M  
3. 说明：平面波(参考) 9=O`?$y  
5R\{&  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 7g8}]\i+  
0}C> e`<'  
:W6`{
Z  
*pK bMG#  
4. 说明：双线钠灯光源 Anr''J&9`H  
AE?MEag  
l2vIKc  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 /'k4NXnW3  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 gBp,p\ Xc  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 @M-i$ q[4  
v._Q XcE  
Ezsb'cUa(  
N4]QmRX/j  
5. 说明：抛物反射镜 _;L%? -2c  
E w#UlA:"v  
/~~aK2{^X~  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 %Xc50n2Z  
 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。 ix4O-o{  
@{N2I$%6  
Hvqv
ggfi  
E[q:65xl  
fy]z<SPhVJ  
1Tl^mS~k  
6. 说明：闪耀光栅 <LL+\kfTZO  
OH.^m6Z  
@`R#t3)8JP  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 t|-TG\Q X  
 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 011 N  
5:y\ejU  
^{Wx\+*!  
r9MS,KG8  
DwSB(O#X  
?+Gc.lU  
7. Czerny-Turner 测量原理 &!i'Q;q  
1g_p`(  
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。 (5CdA1|  
U}f"a!  
~5`p/.L)ZD  
UU\wP(f  
^4M
RG6G  
8. 光栅衍射效率 bd|ZhRsL  
j IO2uTM~  
w
avyREK  
 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。 S $j"'K  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ByyvRc,v  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) 'O>p@BEK  
xXb7/.*qE  
kX
W5bR  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd `U4e]Qh/+  
{ovt 6C  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 om_UQgC@r  
Dh+<|6mx  
`L~gERW#  
6&oaxAp<s  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 Z$*m=]2  
8O^<#lh  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 !2=m |,  
OQnb^fabY  
=;L44.,g  
B`<a~V  
 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)。 7a0T]
 
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 hl}iw_e  
D9yAq'k$  
应用示例详细内容 \]Bwib%h  
 " fXs
!  
仿真&结果 =w!>/#U  
eP(|]Rk  
1. 结果：利用光线追迹分析 iQd,xr  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 q%S^3C&  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 kR0
/jEz C  
=|+%^)E  
Wf!u?nH.5  
S7B\mv  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd Mq~g+` '  
O[Y
c-4  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 tD^$
}u6  
 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)。 BbIg]E/G  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， F+<e9[  
~o8  
 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。 /OD@Xl];K  
S^Mx=KJ
G  
f]4j7K!e]  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms V=d~}PJ>  
`RlMfd  
3. 衍射效率的评估 aG&t gD{  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 rtxG-a56Q  
'w"hG$".  
d~abWBgC`  
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。 L#k`>Qn2  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 1j_ 6Sw(  
ooA%/  
4. 结果：衍射级次的重叠 w# R0QF  
 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。 'z9}I #  
 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)。 A.+Qa  
 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。 WSxE/C|[  
 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) X..<U}e
 
 光栅方程： Ghf/IXq#  
45 B |U  
eWGaGRem  
GR,gCtG+L  
c#zx" ,K  
5. 结果：光谱分辨率 'wA4yJ<  
]KM3G  
HVz|*?&6  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run g/+|gHq^  
YH,u*.I^/  
6. 结果：分辨钠的双波段 2TccIv  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 Mi<l;ZP  
   SG@E*yT1  
{d '>J<Da  
\AOHZ r  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 uskJ(!  
/0YO`])"  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run ^&7gUH*v  
@[v4[yq-  
7. 总结 Ex+E66bE  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 /5Tp)h
|  
1. 仿真 Oj1B @QE  
以光线追迹对单色仪核校。 YBupC!R  
2. 研究 _/z3QG{Ea^  
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。 =rN_8&  
3. 应用 D[0g0>K  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 MZvxcr{x  
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。 q0*d*j F0u  
扩展阅读 VXO.S)v2J  
1. 扩展阅读 'M35L30  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 si1Szmx,  
iE#I^`^V  
 开始视频 .cK<jF@'  
- 光路图介绍 dO!B=/  
- 参数运行介绍 7|DPevrk  
- 参数优化介绍 ]--" K{  
 其他测量系统示例： -5y=K40  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) y4%[^g~-  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) WesEZ\V