[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) 1fM=>Z  
b)9bYkd  
应用示例简述 q4@n pbx  
yS p]+  
1.系统说明 Zy,
U'Dv  
b2u_1P\  
 光源 }WS%
nQA  
— 平面波(单色)用作参考光源 o[q Kf  
— 钠灯(具有钠的双重特性) Yxz(g]  
 组件 h.>6>5$n  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 vN
lYk  
 探测器 28JWQ%-  
— 功率 !yU!ta Q  
— 视觉评估 RKFj6u  
 建模/设计 ~j}di^<{  
— 光线追迹：初始系统概览 c) Zid1  
— 几何场追迹+(GFT+)： jG)fM?  
 窄带单色仪系统的仿真 }C!N$8d,  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 | VPs5  
g#ubxC7t<  
2.系统说明 z #c)Q  
9:"%j  
Zm& X $U  
H8.U#%  
3.系统参数 +Wh0Of  
|0:<Z(  
D@*<p h=  
5jD2%"YUV  
s<Pk[7`*  
4.建模/设计结果 Bm2"} =  
qFp }+
s  
r7o63]  
8X!^ 2B}J  
总结 KZUB{
Y^)  
_Z z"`  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 hE0 p>R8  
1. 仿真 /{ Lo0  
以光线追迹对单色仪核校。 fvK):eCo  
2. 研究
Tm~a&p  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 7y.$'<  
3. 应用
LPX@oha  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 <gRv7 ?V[z  
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。 E7@0,9AU  
/=&HunaxI  
应用示例详细内容 *>,8+S33r{  
系统参数
K n%[&  
[t/7hx"2t  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ts/rV#s~  
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。 z}&w7O#   
'D(|NYY  
u^T)4~(  
@T[}]e  
2. 系统参数 BC0SSR@e  
hw]x T5  
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。 SE/GT:}  
NwbB\Wl  
kSoa'  
.si!`?K%[  
3. 说明：平面波(参考) g>)&Q>}=W  
89ivyv;]U  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 E+-ahvk  
%_C!3kKv~  
GyQu?`  
_tDSG]  
4. 说明：双线钠灯光源 :E'uV"j%  
$'Z\'<k[  
21i?$ uU  
 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。 w:%3]2c  
 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)。 I?c "\Fe  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 +EG?8L,z  
O2./?Ye  
L5$r<t<  
TpXbJ]o9  
5. 说明：抛物反射镜 uj#bK 7  
:k9n 9  

Ve\^(9n  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 {`~uBz+dJq  
 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。 <Vucr   
%GS^=Qr  
s/#L?[YH  
B^Y AKbY  
2\Bt~;EIx  
1_$ybftS  
6. 说明：闪耀光栅 pIcvsd  
!9w3/Gthj  
'4 T}$a"i  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 *b#00)d  
 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 1N8gH&oF
 
NKyaR_q`  
lS<T|:gz@  
$M%<i~VXe&  
esE5#Yq4.k  
T^FeahA7;  
7. Czerny-Turner 测量原理 ,pfHNK-u  
7;0$UYDU*  
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。 <X]'":  
^f][;>c  
IJX75hE0g  
G-FeDP
  
MP"Pqt  
8. 光栅衍射效率 {[B^~Y>Lr  
?+6w8j%\  
c*F'x-TH  
 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。 |ci1P[y  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 #a7 Wx}  
 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) ,c3gW
2E  
/;P* ?  
NlLgXn!  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd .FV wZ:d  
w.v yEU^  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 kQm\f  
1 /@lZ  
cj-_  
B_Qi  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 N0U6N< w  
{|cuu"j26  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ^uZ!e+   
&dA{<.  
x.gR
TR`7(  
8Ter]0M&  
 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)。 /eFudMl  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 <hG] f%  
Y"eR&d  
应用示例详细内容 'dTJE--@  
H~fX>6>  
仿真&结果 x!)[l;  
!\e&7sV~Q  
1. 结果：利用光线追迹分析 G'>?/l#  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Ed&;d+NM  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 kd0~@rPL  
Z]Zs"$q@  
"l8
3O8 L  
,Oqd4NS  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd gW0{s[}T  
Y@&1[Z  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 Ky6.6Y<.|  
 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)。 8vP
:yh
@  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， (t^&L  
`EFPY$9`D  
 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。 H2EKr#(
 

W_]Su  
'a&(
r;  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms x{=@~c%eh  
ZH@BHg|}H  
3. 衍射效率的评估 ,2*^G;J1  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 |dP[_nh?  
G"_ 8`l  
*qh$,mp>  
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。 +a@:?=hc  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd RU r0K#]  
f76bEe/B9  
4. 结果：衍射级次的重叠 dV~yIxD}C*  
 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。 BK+(Uf;g  
 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)。 f;Cu@z{b  
 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。 47(/K2  
 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) sE,Q:@H5  
 光栅方程： }Y{aVn&C  
\QpH~&QIS  
/Dh[lgF0C  
9!aQ@ J^  
ue YBD]3'  
5. 结果：光谱分辨率 C^dnkuA  
HOEjLwH  
ch^tq",1>  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run hqPpRSv'  
FN-j@
 
6. 结果：分辨钠的双波段 'Fe1]B"Y  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 >Ei-Spy>Xl  
   =|@%5&.P  
z}L3//  
jjs1Vj1@<  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ;PBybRW  
ISp'4H7R+N  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run S6J7^'h  
+`@)87O  
7. 总结 ?O]iX;2vM  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 3]*_*<D  
1. 仿真 N*dO'ol  
以光线追迹对单色仪核校。 y093-  
2. 研究 EPY64{  
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。 8SG*7[T7  
3. 应用 wU
d6xR  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 AqD)2O{VO  
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。 RsY7F;  
扩展阅读 |'C{nTX  
1. 扩展阅读 Ym)8L.  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 w]BZgF.  
W?*]'0  
 开始视频 p4ML }q8  
- 光路图介绍 @M:Uf7  
- 参数运行介绍 ` 0YI?$G1  
- 参数优化介绍 "zT#*>U  
 其他测量系统示例： LLa72HW  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 71nI`.Z  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) B{:JD^V!