[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) lu;gmWz  
Zx^R-9  
应用示例简述 (o4':/es  
 T
Uq ,  
1.系统说明 @T] G5|\ok  
Oar%LSkPRz  
 光源 V)]lca  
— 平面波(单色)用作参考光源 &Xi]0\M)  
— 钠灯(具有钠的双重特性) *Rgl(Ba  
 组件 uvJmEBL:  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 |}Mthj9n  
 探测器 L~*nI d  
— 功率 6\USeZh  
— 视觉评估 g=jB'h?  
 建模/设计 OmZK~$K_  
— 光线追迹：初始系统概览 eN0lJ~  
— 几何场追迹+(GFT+)： ?N]G;%3/  
 窄带单色仪系统的仿真 &'u%|A@  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 CEJqo8ds  
"qoJIwl#q  
2.系统说明 &Z%'xAOGR  
dQ Lo,S8(  
8i Ew;I_  
Y8for'  
3.系统参数 ~h$ H@&5  
K0\`0E
^,  
|8fdhqy_  
6kO+E5;X  
!'Ww%ZL\   
4.建模/设计结果 1rV9dM#F  
|Elz{i-  
x\pygzQ/  
1;HL=F
  
总结 h<i.Z7F;tj  
G0(A~Q"  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 J9P\D!  
1. 仿真 tR(L>ZG{  
以光线追迹对单色仪核校。 cFHSMRB|P  
2. 研究 @B9#Hrc  
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。 |#EI(W?`  
3. 应用 W?0u_F  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 }[OEtd{  
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。 -^t&U] g  
o3HS|  
应用示例详细内容 X/H2c"!t  
系统参数 m Gx{Vpt  
i}@5<&J  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 G{0
f* cH)  
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。 W=4|ahk$  
[Vj|fy4  
r@b
a1*y0  
aZ}z/.b]  
2. 系统参数 9`!#5i)VU8  
Tx(=4ALY  
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。 TSj)XU {W  
Oyp)Wm;@  
2>.>q9J(  
*2Q x69`  
3. 说明：平面波(参考) GuQ#  
}R`}Ey|{  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ]#dZLm_  
2G$-:4B  
Q`UgtL  
Jo9c|\4  
4. 说明：双线钠灯光源 d{DBG}/Yg  
.&/A!3pW  
u HXb=U  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 3Z74&a$  
 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)。 H}lbF0`  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ;h#CT#R2  
uR82},r$m  
dq3"L!0u  
Dm`gzGl  
5. 说明：抛物反射镜 8TO5j  
y|YhDO  
rm
,h\  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 =%wBC;  
 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。 6H:EBj54?  

/!-ypIY  
7/BA!V(na  
I#|ib  
{>l`P
{{y  
LsNJ3oy  
6. 说明：闪耀光栅 i(kr#XsU  
!}HT
&N8[r  
}j,G)\g#  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Wl3fR[@3Q  
 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 #4!6pMW(&7  
RueL~$*6.~  
\>4x7mF!  
iD2>-yf  
vo2TP:  
#^q@ra  
7. Czerny-Turner 测量原理 r5&?-G  
kZS&q/6A*  
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。 5@~5RNrq2  
 Fr9_!f  
{4b8s%:!4  
znd fIt^  
)>
a^%V9
 
8. 光栅衍射效率 mC84fss  
YCNpJGM  
9_pOV%Qs  
 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。 vC5y]1QDd  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 .gd'<l  
 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) +IfU 5&5<  
GK:pt8=  
P3V}cGZ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd r$-]NYPi  
{NV=k%MTmi  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置
Z6oA>D  
+4k7ti1Qb  
cGe-|>:  
-44''w?z  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 44cy_  
X !l#1  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 woR }=\K  
[7SR2^uf<j  
N^K@$bs4^  
X.!|#FWb+  
 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)。 )F4P-u  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 OA
tn.LU  
#me'1/z  
应用示例详细内容 W=T,hOyh<W  
wmG[*a_H  
仿真&结果 qct:xviH<|  
2:& [r*  
1. 结果：利用光线追迹分析 .(2ui~ed  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 w B[H&  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 bO?Us

 
 (.B+U'6  
G=%SMl>[  
m;KD@E!  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd Kzgnhgc  
<',bqsg[  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 "+:IA|1wD  
 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)。 T)PH8 "  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， FrryZe=  
iu6NIy7D  
 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。 yjxv D  
\Lu] %}  
-|~tZuf  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 4
Fpu68y  
'w5g s
}1D  
3. 衍射效率的评估 Y:}!W  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 "kT?9&  
EAM2t|MG.  
fbK`A?5K
 
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。 <v=T31aS  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd "FT(U{^7d  
b^]@8I[M  
4. 结果：衍射级次的重叠 j:6VWdgq  
 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。 r*t\\
2  
 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)。 1ti4 ZM  
 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。 y6S:[Z{~A  
 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) t!,GI
&  
 光栅方程： q k+(Ccl  
Fz4g:8qdA  
R s)Nz< d  
#$[}JiuL/  
xK3}zN$T  
5. 结果：光谱分辨率 V,CVMbn/%N  
R59'
KR2?  
|}>;wZ[7  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run oCftI':@  
wO {-qrN  
6. 结果：分辨钠的双波段 V;#bcr=Z<J  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 7D%}(pX  
   1v^eXvY  
u9}k^W)E  
Hs~u&c  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 1]<wZV}.  
_ X* A  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run  1ZF>e`t8  
T[YGQT|B  
7. 总结 }}'0r2S  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 D,H v(6({  
1. 仿真 %!i|"FNc  
以光线追迹对单色仪核校。 (n,!
v)  
2. 研究 !w9w{dtW=  
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。 `Mxi2Y{vp  
3. 应用 8XUm.nV  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 E{Ux|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。 dwc$#cMf  
扩展阅读 pjP R3 r  
1. 扩展阅读 Dqw?3 KB  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 lp;=f  
nBA0LIb  
 开始视频 +$F_7Hx  
- 光路图介绍 Lh(`9(tX  
- 参数运行介绍 *l
[;g  
- 参数优化介绍 >[ox|_o  
 其他测量系统示例： b&V}&9'[M;  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) Rn-RMD{dh  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) wA#w]8SM