[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) H#:Yw|t  
uB?YJf .T@  
应用示例简述 62q-7nV  
6Xa2A6  
1.系统说明 rv[\2@}  
R_&>iu'[  
 光源 t&0p@xLQ  
— 平面波(单色)用作参考光源 Ra5cfkH;  
— 钠灯(具有钠的双重特性) zq#o8))4X  
 组件 ,$Mw/fA  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 T/ov0l_  
 探测器 utXcfKdt  
— 功率 @QEVl
 
— 视觉评估 Ok
M>  
 建模/设计 K':f!sZ&2  
— 光线追迹：初始系统概览 b< rM3P;  
— 几何场追迹+(GFT+)： }`X$ '  
 窄带单色仪系统的仿真 "(5}=T@,  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 7g$t$cZby,  
u'C4d6\wS  
2.系统说明 [g{}0[ew  
#rC% \  
Zo`^pQS  
h(fh |R<  
3.系统参数 ^s-3U  
`u-}E9{  
Ny#%7%(  
DI\^+P  
j(SQNSFD  
4.建模/设计结果 6 B )   
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LTF%bAQ,  
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总结 KNnE5f  
j EX([J1  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 z<ek?0?yS  
1. 仿真 9:Y\D.
M  
以光线追迹对单色仪核校。 FR&RIFy  
2. 研究 `4o;Lz~  
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。 Vo\d&}Q  
3. 应用 * PZ=$>r  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ZE9*i}r  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 'K`)q6m  
}E=mZZ
)  
应用示例详细内容 %w@(V([(c  
系统参数 dZm{?\^_  
@ZmpcoDI  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 _CgD7d  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 &I70veNY  
@U&|38  
6O"0?wG+  
i55']7+0  
2. 系统参数 {kC]x2 U  
&,\S<B2.  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 9SrV,~zD  
[]@Mk  
aoBM_#  
}b-?Dm_H  
3. 说明：平面波(参考) f; 22viE  
DCNuvrZ  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 B!5gD  
' ft |  
fF9vV. }  
-Ju!2by  
4. 说明：双线钠灯光源 `aJ[ !O  
m^ILcp!  
0]Li"Wb  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 NZl
0sX.:  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 rlds-j''  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ^PDa  
JsH9IK:  
A_[65'*b  
6Us#4 v,  
5. 说明：抛物反射镜 ^v,^.>P  
ci$o~b6V  
\Wo,^qR  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 s^6S
{XJ  
 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。 `'g%z: ~  
E)`+1j  
y:457R2F  
[1E u6X6  
SnVnC09y  
$
idYG<],  
6. 说明：闪耀光栅 Q4UaqiL
 
X&K1>dgWP  
HK}C<gg  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 |=SaI%%Be  
 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 _xbV
AI4  
@P%&Dha  
s]}P jh8  
~*H!zKIx  
[1N*mY;  
0"ZRJl<)[I  
7. Czerny-Turner 测量原理 #wt#-U;  
,l~i|_  
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。 ba ,2.|  
t,&1~_9  
:V8 \^  
q),yY]5  
A_CK,S*\,&  
8. 光栅衍射效率 Ru2kC} Dx!  
M[SWMVN{  
h_H$+!Nzb  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 `|Ih"EZ  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 aQcJjF5x  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) j134iVF%  
|E|d"_Ma  
_%Jqyc"-  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd uP<
tP:  
c\7~_w2  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 WOquG  
G/=tC8eX  
!AgW@  
B!6?+<J"  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 S)p1[&" M  
PY~cu@'k{  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 >/GVlXA'  
A[^fG_l
4  
~Sh8. ++}  
]Z6==+mCP  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 <w<&,xM  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 <$/'iRtRzW  
jgbE@IA@!'  
应用示例详细内容 ~:v" TuuK  
!Yd7&#s  
仿真&结果 XJ.b
K  
i#=s_v8  
1. 结果：利用光线追迹分析 83e{rcs  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ,~>A>J  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 yMB*/vs  
L^!E4[ ^4  
.gzNdSE  
[ lW~v:W  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 1ti+ Q0~  
CM|?;PBuv  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 >+LFu?y  
 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)。
73 ix4C  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， z^'3f!:3   
|Q[[WHqj2f  
 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+d
[Q1  
K`Vi5hR~c  
Pm*FA8a7  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms .0}]/%al  
H}Z\r2  
3. 衍射效率的评估 tY'fFz^Ho  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 !hdOH3h=  
&>,c..Ke  
t4X:I&l-M:  
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。 -
C1,$mkj  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd j]~;|V5Z  
INt]OPD  
4. 结果：衍射级次的重叠 mW-4  
 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。 gE;r;#Jt4  
 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)。 `v) :|Q  
 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。 }]V
FLBl`w  
 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) FX}kH]  
 光栅方程： K8,Q^!5]"  
bh V.uBH  
Hwiw:lPq`E  
,}?x
!3  
'~{bq'7`m  
5. 结果：光谱分辨率 V'alzw7#  
J
B[n]|  
#k?uYg8
 
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run yUd>EnQna  
\%[sv@P9s  
6. 结果：分辨钠的双波段 F/.nr  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 p$.m=+K~  
   _ x8gEK8  
^E-BB 6D  
5\S s`#g  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 jAXKp b  
-9)H[}.  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run {Qv Whf  
v%^"N_]  
7. 总结 X3mHg5zt  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 T%q@jv{c  
1. 仿真 wjEyU:  
以光线追迹对单色仪核校。 bSJ@ 5qS  
2. 研究 v_G1YC7TU  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 Fw.df<  
3. 应用 8=k
IN-l_  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 9:
9gam  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 J> Z.2  
扩展阅读 h$`zuz  
1. 扩展阅读 XSOSy2:  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 9^+8b9y  
%7}ibz4iF  
 开始视频 6~b)Hc/  
- 光路图介绍 -HQ(t  
- 参数运行介绍 Nl$b;~u  
- 参数优化介绍 1RHFWK5Si  
 其他测量系统示例： 6>DmcG:.  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) @y1:=["b  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) X\Gbs=sf6