[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) j>P>MdZtk  
C+2
*m=r  
应用示例简述 wYS
4#7  
`ZNzDr  
1.系统说明 LD#]"k  
n802!d+Tn  
 光源 R
z%+E0  
— 平面波(单色)用作参考光源 &K|CH? D  
— 钠灯(具有钠的双重特性) P>jlFm  
 组件 IDwneFO  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 .pG_j]  
 探测器 K]Ed-Tz8QZ  
— 功率 iQs(Dh=*  
— 视觉评估 r@k&1*&  
 建模/设计 |P~TZ  
— 光线追迹：初始系统概览 M(SH3~  
— 几何场追迹+(GFT+)： c1!h;(&  
 窄带单色仪系统的仿真 Q>= :$I  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ={8ClUV#  
Smg,1,=  
2.系统说明 L?<V KT  
-*+7-9A I  
6uR:/PTG  

6|["!AUI  
3.系统参数 \*a7DuVw  
[ 98)
7  
:/d#U:I  
57rc|]C  
M0 =K#/  
4.建模/设计结果 qp'HRh@P2:  
jD'\\jAUdm  
[7Q|vu  
q9F(8-J  
总结 U")bvUIL  
~B1)!5Z  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 YG!~v~sV  
1. 仿真 U(.Ln@sq  
以光线追迹对单色仪核校。 lP\7=9rh^x  
2. 研究 l>H#\MR  
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。 1Ep!U#Del  
3. 应用 mp>,TOi~s7  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 E0Ig/ j  
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。 _}{C?611c  
-7$7TD`'7  
应用示例详细内容 &mp=jGR  
系统参数 @e3O=_m-  
wHAoO#`wn5  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 $yLsuqB}  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 *Xn{{  
7S(5\9  
d 0$)Y|d>  
Ihw^g<X  
2. 系统参数 N>xs@_"o  
yM=%a3  
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。 }p]8'($  
r`HtN{6r  
IBo)fE\O  
9)];l?l  
3. 说明：平面波(参考) 9jCn|+  
hL+)XJu^J  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ( Y'q%$  
oGu-:X=`9  
v#8{pr  
~K&ko8  
4. 说明：双线钠灯光源 +pkX$yz  

4&Y{kNF  
+.! F]0ju  
 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。 xf_NHKZ)  
 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)。 iLIH |P%  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ~Uz,%zU#3  
x9h
kE!{8  
LK-2e$1  
iOYC1QFi?  
5. 说明：抛物反射镜 &"p7X>bd  
6F(;=iY8  
2/
<VoK0b  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 d%1j4JE{  
 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。 z'z_6]5  
]+u`
E
 
S%uwQ!=O8  
2f2Vy:&O_  
*UJ.cQ}  
lyc ]E 9  
6. 说明：闪耀光栅 k)U9%Pr  
outAZy=R;  
b=amd*  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 "j#;MOK  
 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 {ss^L  
(S3\O `5  

FZf{kWH  
;~CAHn|Fe  
~4IkQ|,  
GTgG0Ifeh  
7. Czerny-Turner 测量原理 
uQk}  
SM;UNIRVE  
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。 Tk\?$n  
kG 7]<^Os3  
VJviX[V?4  
r{R879  
eb&#sZ  
8. 光栅衍射效率 Wwo'pke  
&m<:&h& b  
!:"$1kh1("  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 b/"&E'5-`\  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 *L7&P46  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) jRdmQmTJ  
P`^3-X/  
X0G6Wp  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 4
OX|pa  
4k%y*L  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 Fq>tl 64A  
nbd-f6F6  
LkvR]^u0  
Ix~_.&  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 QAN :  
+h*-9  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 F%|F-6  
AIN Fv;  
<KB V  
-(~OzRfYi  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 .:dy d  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 #7(?B{i  
uUmkk  
应用示例详细内容 q%&JAX=  
*BdKQ/Dk  
仿真&结果 k9Pwf"m|](  
QT
`|"RI%  
1. 结果：利用光线追迹分析 MuI>ZoNF  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ZhvZe/  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 '\g-z  
4zo^ b0v  
Pk{eGG<F$  
kz30! L  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd #LU<v  
+wPXDN#R  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ."X}A t  
 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)。 @}{lp'8FYi  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， -6KNMk  
Fi!BXngbd  
 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。 pHNo1-k\  
xa"8"8  
),!1B%  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms <y
`MUpf]  
v^0*{7N'  
3. 衍射效率的评估 Q%T[&A}3B  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 84U?\f@u  
Sdo mG?;kV  
vw  
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。 XK+" x!   
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd _A/q bm  
5|<jPc  
4. 结果：衍射级次的重叠 o(L8 -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。 K`vc&uf  
 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)。 ~vPR9\e  
 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。 -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) 1SK|4Am  
 光栅方程： d8!yV~Ka  
ye^*Z>|  
chC= $(5t  
Y W9+.Dc`  
7{JIHY+  
5. 结果：光谱分辨率 3QF/{$65!  
^Ay>%`hf*  
UURYK~$K:  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ?:AD&Dn  
BN>t"9XpW  
6. 结果：分辨钠的双波段 '_~qAx@F#c  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 A||,|He~  
   b/soU2?^  
B?gFFU61  
}nx5  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 zg>)Lq|VsT  
uB1>.Pvxb  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run CK=
TD`$w  
oniVC',  
7. 总结 "p@EY|Zv%I  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 q).["fSV  
1. 仿真 /?Y]wY  
以光线追迹对单色仪核校。 $a#-d;  
2. 研究 X/BcS[a  
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。 t9eEcqMg  
3. 应用 sS{!z@\Lf  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 SNOML7pd  
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*4Vw#Wt  
扩展阅读 =nff;Xu  
1. 扩展阅读 Dbg,|UH  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 dMw}4c3E  
MU>6s`6O  
 开始视频 uc>]-4  
- 光路图介绍 $n=w  
- 参数运行介绍 zI.%b7wq  
- 参数优化介绍 <N(r-  
 其他测量系统示例： IgyoBfj\d  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) $)#?4v<  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) &WKAg:^k)