[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) ~ 5}t;  
Q
a2h#0j  
应用示例简述
-ssb|r  
P& 1$SWNyW  
1.系统说明 hb3n- rO  
YnpN -Y%g  
 光源 J6#h~fpv  
— 平面波(单色)用作参考光源 S?v/diK ]J  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 9a_P 9s3w  
 组件 y[McdlH m  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 SK}jhm"y  
 探测器 Luao?;|U  
— 功率 A"*=K;u/|m  
— 视觉评估 Z}O]pm>=G  
 建模/设计 &N.pW=%,N  
— 光线追迹：初始系统概览 q^[t</_N  
— 几何场追迹+(GFT+)： Le#srr  
 窄带单色仪系统的仿真 a 4?A 5  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 A f`Kg-c_(  
6lzjaW5h  
2.系统说明 b`e_}
^,c  

J`g5Qn@S  
21!X[)r  
u(zgKoF9A  
3.系统参数 wH"9N+82M  
%;&lVIU0  
4Uny.C]  
CDJ@Tdp  
her>L3G-E  
4.建模/设计结果 d- ZUuw  
]I*RuDv}  
jwwRejNV  
mc]+j,d  
总结 1V,@uY)s  
]v<8l4p;  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 >FE8CH!W&  
1. 仿真 C2<TR PT  
以光线追迹对单色仪核校。 vapC5,W"2-  
2. 研究 w,P@@Q E  
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。 8YZ9  
3. 应用 o?ug`m"  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 :[@rA;L  
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。 La6 9or   
xR-;,=J  
应用示例详细内容 X!h>13fW  
系统参数 { {?-& yA  
MXW1:  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 /BgXY}JC.  
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。 ln_&Ux+l  
aUL7]'q}  
8`S1E0s  
Ep-
bx&w+  
2. 系统参数 p+g=Z<?`  

#j7&2L  
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。 oY~q^Y  
4!14:mq  
cKYvNM  
=9TwBr.CJ  
3. 说明：平面波(参考) ?"'+tZ=f6  
5v
oL@w>  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 T=/c0#Q|q  
8$c)]Bv  

nU=  
_#M4zO7  
4. 说明：双线钠灯光源 OM.-apzC  
{_tq6ja-<  
=m<b+@?T  
 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。 }alq~jY  
 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)。 PM!JjMeQh  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 NcbW"Qv3  
NEIF1(:  
$<nD-4p  
"~ =O`5V  
5. 说明：抛物反射镜 $@s-OQ}  
#Ey_.4S  
KHP/Y{mH  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 PP!/WX  
 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。 uj)vh  
}!xc@
 
2
v(Y'f.  
}#tbK 2[  
xjD$i'V+  
1 jLQij  
6. 说明：闪耀光栅 cRs\()W  
Tcv/EST  
E<D^j^T  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 N MkOx$  
 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 9e.v[K~  
qsEFf(9G  
d lAb`ne  
^fN/  
Hxy=J
 
8 # BR\  
7. Czerny-Turner 测量原理 -+i7T^@|  
mS}.?[d"  
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。 G/~b(V;>  
S -,$ (  
;9#%E  
^[R/W VNk  
F<iV;+  
8. 光栅衍射效率 @/N]_2@8;  
) iV^rLwL  
e34g=]"  
 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。 :RDk{^b)  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 t
(vyi  
 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) Y_C6*T%  
-|u yJh  
T+gH38!e  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd jq#`cay!  
d%L/[.&  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 d~6UJ
=]@8  
@+ T33X)h%  
g/FT6+&T.  
eC<?g  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 JoG(Nk
]  
eV
X/<9>  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 |}8SjZcQW  
pKLNBR|  
oV9{{  
M<=e~';H  
 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)。 =
eS?`|  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 cM,
g,E}  
f8UJ3vB  
应用示例详细内容 lSoAw-@At8  
![4_K':=  
仿真&结果 <Mj{pN3  
A"qDc  
1. 结果：利用光线追迹分析 BhjDyB  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 {md5G$*%  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 F.@|-wq&  
u] G  
y\
CxdTs  
{wk#n.c  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd !,Cbb }  
8$RiFD,  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 <Voct  
 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)。 ] M#LB&Pe  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， +Y;hVcE9  
MO| Dwuaf  
 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。 ?|Z~mE  
cdGBo4  
{,(iL8,^  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms q<^MC/]  
6f t6;*,  
3. 衍射效率的评估 .!+7|us8l\  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 a3A3mB
w  
xzFQ)t&  
3 _!MVT  
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。 py%~Qz%  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 5yj#9H  
"j_cI-@6  
4. 结果：衍射级次的重叠 %2B1E( r%M  
 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。 OZz!8-|wE  
 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)。 9&6P,ts%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。 U9Ea}aN  
 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) QUZ+#*:s  
 光栅方程： 'mm>
E  
O'@[f{  
XWNo)#_3  
JvP>[vb  
Xx2t0AIB  
5. 结果：光谱分辨率 _ShWCU-~Z  
Bva2f:)K|  
q \fyp\z  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run Jp^#G2  
;|$oz{Ll  
6. 结果：分辨钠的双波段 R[*n3 wB  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 =&Tuh}  
   =}I=s@  
jY=M{?
h''  
u~JR]T  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 IDpx_  
L.JL4;U P  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run vSv1FZu*  
O 9M?Wk :  
7. 总结 =8rNOi  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 JBZ1DZAWC  
1. 仿真 wuk\__f4  
以光线追迹对单色仪核校。 N 6\Ey{  
2. 研究 Y}Dk>IG  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 }s6Veosl  
3. 应用 -yBj7F|  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 iE_[]Vgc  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 Zu>-y#Bw  
扩展阅读 Z#^|h0  
1. 扩展阅读 ;+#Nb/
M  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Rh$+9w  
5v`lCu]  
 开始视频 (plT/0=^t  
- 光路图介绍 x%[NK[^&  
- 参数运行介绍 /EegP@[  
- 参数优化介绍 Of$R+n.  
 其他测量系统示例： R7!v=X]i  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) nG{o$v_|  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Tow!5VAM