[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) w00\1'-Kz  
+4g%?5'  
应用示例简述 <1+6O[>{  
Pd "mb~  
1.系统说明 @1&;R  
{kl{mJ*  
 光源 j~S!!Z]  
— 平面波(单色)用作参考光源 KbdfSF$  
— 钠灯(具有钠的双重特性) nl9Cdi]o  
 组件 eQVPxt2N  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 .S'fM]_#  
 探测器 E:4P1,%01+  
— 功率 FT/5 _1i  
— 视觉评估 $
%%>n^??  
 建模/设计 NZC='3Uz  
— 光线追迹：初始系统概览 iynS4
]`U  
— 几何场追迹+(GFT+)： {/A)t1nL  
 窄带单色仪系统的仿真 kad;Wa#h  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 Ipz 1+ #s'  
\*%i#]wO@  
2.系统说明 W+f&%En  
EcU'*  
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NC.P2^%  
3.系统参数 wvmg)4
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4.建模/设计结果 B3>Uba*-)}  
KM5DYy2 A6  
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Y%)h)El  
总结 ,t%\0[{/B  
[CDXCV-z  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 C9mzg  
1. 仿真 MLt'YW^  
以光线追迹对单色仪核校。 C^,4`OI  
2. 研究 (~7m"?  
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。 (9KDtr*(2i  
3. 应用 uspkn1-  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 prlyaq;4  
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。 -4vHK!l  
 ^%5~;  
应用示例详细内容 6MQs \J6.  
系统参数 f3zfRhkIk  
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1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 vLBee>$  
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。 fVH*dX'Jz  
\[[TlB>  
k=T-L  
@.Z
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2. 系统参数 Z6IJo%s  
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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。 `;5VH]V  
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DJViy  
V8sH{R-  
3. 说明：平面波(参考) stg30><  
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 采用单色平面光源用于计算和测试。 ~aJW"\{  
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Lp:Nw4_  
&RKH2R  
4. 说明：双线钠灯光源 | V.S.'  
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"x#]i aDjf  
 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。 t7um [  
 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)。 aF&r/j+}o  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 c*x J=Gz6d  
T-a&e9B  
ZnvEv;P  
MxO W)$f  
5. 说明：抛物反射镜 je&dioZ>  
h8f!<:rTS  
I
ajD;V
  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 9J~:m$.  
 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。 )XLj[6j0  
?^%YRB&  
pN\)(:"8v  
Gw ~{V  
0+T*$=?  
dT5J-70Fl  
6. 说明：闪耀光栅 L;/9L[s,  
Sm$p\ORa  
iYk':iv}S  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 R%>jJ[4\[  
 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 9#v-2QY  
oN *SRaAp  
<Q2u)m'  
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H@K#|A=a  

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7. Czerny-Turner 测量原理 89hF)80  
EkN_8(w  
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。 WMW1B}Z3  
fuq( 2&^  
FoE|Js  
%tT"`%(+  
CPVzX%=  
8. 光栅衍射效率 sW }<zGYd  
hHcJN
 
I[}75:^Rt  
 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。 8]S,u:E:N  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 x>}B#  
 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) d)N^PJ/  
J!rY 6[t  
}7K@e;YUg  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd &|)hCJu  
>xT^RYS  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 `,+#!)  
>9ob*6q,  
TI}}1ScA'  
FC6xFg^  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 +a|"{  
<"<Mbbp  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 KacR?Al  
5?Bc Y;  
(B@X[
~  
X:>$8^gS  
 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)。 z<hFK+j,'^  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 :4|M jn  
AIb>pL{  
应用示例详细内容 jAXR`D  
R,%_deV\(  
仿真&结果 C\7u<2c  
9z:K1  
1. 结果：利用光线追迹分析 98GlhogWt  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 u#1%P5r&X  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Pg`JQC|  
Ejv%,q/T(  
y,Jh@n';|  
6Opa{]  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd TXjloGv^  
E!zX)|Z<  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 C}q>YRubZ  
 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)。 BWh}^3?l  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， um7o!yg,  
+Gow5-(  
 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|Q H
 
61} i5o  
WfZF~$li`  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 9t?L\
  
obO}NF*g^  
3. 衍射效率的评估 b._m8z ~  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 eJHp6)2  
kx:j
I^  
>.e+S?o  
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。 6W&_2a7*  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd -p`L%xj\  
NgVR,G|1  
4. 结果：衍射级次的重叠 ,X68xk.'  
 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。 OUI6 ax\[  
 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)。 =\Iu$2r`
 
 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。 Ow@v"L;jF!  
 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) D<bI2  
 光栅方程： yzR=A%V8A  
^/toz).Q  
Lg4YED9#  
=xL)$DTg)  
px=]bALU  
5. 结果：光谱分辨率 uFG<UF  
bAEg$A  
e\F}q)_
 
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run QB&BTT=!  
oh~:,  
6. 结果：分辨钠的双波段 hi|!  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ]a?bzOr,  
   [|RjHGf  
&w8
5[zs  
7O)" `  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 k_ Y~;P@  
O("Uq../3  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run O)]v;9oER  
U]R~gy}#  
7. 总结 ab.tH$:<  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 <41ZZ0<EwY  
1. 仿真 6B" egYv  
以光线追迹对单色仪核校。 632
bN
=>  
2. 研究 /Vww?9U;  
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。 ?mv:neh  
3. 应用 ^zr^ N?a  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 g`0moXz  
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。 s^hR\iY  
扩展阅读 -tLO.JK<  
1. 扩展阅读 ^YlI>_3s  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 lG:kAtx4  
|(%zb\#9  
 开始视频 -SCM:j%h  
- 光路图介绍 Z[?mc|*x  
- 参数运行介绍 Z7a945Jd  
- 参数优化介绍 *if`/N-q(m  
 其他测量系统示例： nP3 E  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) pQa:pX  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) w7TJv4_