[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) HZzDVCU  
L%*!`T
N  
应用示例简述 
3nIU1e  
eueH)Xkf  
1.系统说明 SIF/-{i(X  
@Q ]
=\N:  
 光源 g2LM_1\  
— 平面波(单色)用作参考光源 (>UZ<2GPL  
— 钠灯(具有钠的双重特性) BOb">6C  
 组件 B4c]}r+  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 =w_Ype`  
 探测器 p*R;hU  
— 功率 lk^Ol&6  
— 视觉评估 b,l$1{  
 建模/设计
0U(@=7V  
— 光线追迹：初始系统概览 G\/zkrxmv  
— 几何场追迹+(GFT+)： ^EtMxF@D  
 窄带单色仪系统的仿真
zH?!  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 \%JgH=@ :=  
=V,mtT  
2.系统说明 U2tV4_ e  
_UMg[Um  
}WC[$Y_@  
}>pknc?  
3.系统参数 '%s.^kn  
sQUM~HD\a  
P%V'4pc  
L:KF_W.I+  
E<{R.r  
4.建模/设计结果 X:f UI4  
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Go`vfm"S  
j78i#}e  
总结 VZp5)-!\  
,uSMQS-O'4  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 tVYF{3BhA  
1. 仿真 [`#CXq'  
以光线追迹对单色仪核校。 KB3Htw%W[+  
2. 研究 6y-@iJ*ld;  
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。 !fV+z%:  
3. 应用 &&5a
M  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 m4[;(1  
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。 vONasD9At  
@N>\|!1CC  
应用示例详细内容 uanhr)Ys  
系统参数 !hA-_  
& TCkpS  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 1jmjg~W  
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。 =J
]&c?I  
GL>O4S<`  
WA<v9#m  
?(@ 7r_j  
2. 系统参数 G*?8MTP8![  
s$zLiQF;  
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。 lF<]8m%F  
/7(W?xOe  
!4ocZmj\  
]}>2D,;  
3. 说明：平面波(参考) HDz5&7* .  
{X!r8i  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 SpIv#?  
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&pxg. 3  
W-$Z(Z XL  
4. 说明：双线钠灯光源 pE3?"YO  
o3XvRj  
*[Imn\hu  
 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。 0G(/Wb"/  
 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)。 PF0_8,@U  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 [CTnXb  
F;
Spi  
T )&A2q  
=bAx,,D#  
5. 说明：抛物反射镜 6lZ3tdyNo  
1>.Ev,X+e  

"syI#U{  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 [DYQ"A=)d  
 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。 _kC-dEGf!y  
!K#qeY}  
p .%]Q*8  
HRpte=`q  
cQjv$$&6[  
!@5 9)  
6. 说明：闪耀光栅 %J}xg^+f  
m%0p\Y-/  
H[T?\Lq  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 M.JA.I@XC  
 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 Q1lyj7c#x  
JT~4mT  
 X hR4ru`  
TbMW|0 #w  
9FF0%*tGo  
{aZ0;  
7. Czerny-Turner 测量原理 *nd!)t  
v<k?Vu  
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。 T%+#xl  
t <~h'U  
-$\y_?}  
k``_EiV4t  
2y75  
8. 光栅衍射效率 3s*mbk[J  
UB@Rs|)  
YH$-g  
 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。 ]IaMp78
8  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 =&6eM2>P  
 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) cUk7i`M;6  
@b\$yB@z  
eb"VE%+Hu  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd #x@$lc=k3  
sVQ|*0(J0r  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 hy1oq7F(Q  
cs48*+m  
"> ypIR<  
g_E$=j92v  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 %64)(z  
TT%M'5&  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 u$z`   
3l]lwV  
D'>_I.  
uuEV_"X  
 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)。 B
X/8O<s0  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 #&+{mCjs  
je\Ph5"  
应用示例详细内容 W<{h,j8  
]Ee?6]bN  
仿真&结果 xa'*P=<)C'  
$V
;i '(&7  
1. 结果：利用光线追迹分析 _{ue8kGt  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 %X]jaX7  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 ]2A^1Del  
B^=-Z8  
-12UN(&&Z  
_`$qBw.Nx  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd cdH>n)  
Vsr.=Nd=  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 >dXGee>'M  
 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)。 Q>qUk@  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， (M|Dx\_  
AF{\6<m  
 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。 y8y5*e~A-)  
'ycJMYP8  
^
S<Y>Nm]  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms n)/z0n!\  
Oamg]ST  
3. 衍射效率的评估 ')Zvp7>$  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 Z3e| UAif  
Rr$-tYy6  
nbp=PzZy  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 u]wZQl#-  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd R+:yVi[F]U  
)6MfRw  
4. 结果：衍射级次的重叠 9)yJ: N#F  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 .#!lP/.eQP  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 <V'@ks%  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 h f)?1z4  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) 8,Z_{R#|  
 光栅方程： X #dmo/L8  
OKZV{Gja  
umfD>" ^I  
D8Ic?:iX[  
`RT>}_
j  
5. 结果：光谱分辨率 68|E9^`l  
;V_e>TyG  
Hvauyx5T  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run w(Ovr`o?9t  
"!P3R1;%  
6. 结果：分辨钠的双波段 ;O5zUl-`  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 }Bh8=F3O Q  
   unzr0x {  
m@j?za9s  
"^[ 'y7i  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 q_
8+HEvo  
uc{Ihw  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 7"D",1h  
^e5=hH-%  
7. 总结 I|!OY`ko  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 XX!%RE`M8  
1. 仿真 ,KZ~?3$yj  
以光线追迹对单色仪核校。 \7eUw,~Q>  
2. 研究 "cGk)s  
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。 7WqH&vU|  
3. 应用 Es`Px_k  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 F<1fX7c  
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。 nAato\mM  
扩展阅读 G>=*yqo  
1. 扩展阅读
//MUeTxR  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 E~T-=ocKE  
Wi<m{.%\E  
 开始视频 iMh#TUlQEQ  
- 光路图介绍 FUzzB94a  
- 参数运行介绍 Jr4Ky<G_i  
- 参数优化介绍 P;no?  
 其他测量系统示例： ;1=1:S8  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) t+ TdLDJR  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) kazzVK5x