[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) \S7OC   
]|`gTD6  
应用示例简述 x}x@_w   
A}y1v;FB  
1.系统说明 'fAD Dh}  
jZ 
D\u%  
 光源 vWkKNB  
— 平面波(单色)用作参考光源 T4!]^_t^  
— 钠灯(具有钠的双重特性) x>8f#B\Mr  
 组件 <$yer)_J!k  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 hTG d Uw]  
 探测器 ^Js9E  
— 功率 3sZK[Y|ax  
— 视觉评估 #6H<JB  
 建模/设计 H4:TYh  
— 光线追迹：初始系统概览 sId5pY!  
— 几何场追迹+(GFT+)： @J<B^_+Se  
 窄带单色仪系统的仿真 Na~_=3+a  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 &HXSO,@  
fd,~Yj$R?  
2.系统说明 g?$9~/h :;  
ONGe/CEXT  
x b0
+4w|  
*Yr-:s9J9  
3.系统参数 @E>^\!nH  
_@OYC<  
k
N$70N7I;  
Fp]8f&l8  
?@#}%<yEq  
4.建模/设计结果 654%X(:q  
Gj^bz'2  
0 j.Sb2  
_
u
u:)%  
总结 9bNIaC*M  
ibuI/VDF  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 W
_ 6Jl5]  
1. 仿真 (;j7{(  
以光线追迹对单色仪核校。 2DC#PX)i  
2. 研究 8Cqs@<r4Od  
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。 4By-+C*  
3. 应用 0/gcSW b  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 IcoL/7k3  
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。 OWjZ)f/  
/< :;^B  
应用示例详细内容 F:@Ixk?E  
系统参数 Na6z,TW  
@ubz?5  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 lX4p'R-h  
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。 |d3agfS[n  
|:#mw1  
J7_H.RPa  
0/ Ht;(  
2. 系统参数 _)l %-*Z7p  
"P{&UwMmh  
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。 =R'v]SXj  
19.cf3Dh  
:z\f.+MI  
?},ItJ#>)q  
3. 说明：平面波(参考) 1;P\mff3Y  
Ax0,7,8y  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 (6BCFl:/Q<  

+o  
|u{QI3#'  
mb/[2y<  
4. 说明：双线钠灯光源 !-c*lb  
Y2X1!Em>B  
Du>HF;Fv  
 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。 (OqJet2{
+  
 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)。 >.iw8#l  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 1955(:I  
HUC2RM?FN  
 {K9E% ,w  
_")h %)f  
5. 说明：抛物反射镜 [!&k?.*;<  
z\tJ~  
\Wc/kY3&  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 Y*k<NeDyn  
 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。 OQ7c|O  
uB1!*S1f  
?i~/gjp  
Y/0O9}hf  
Fw9``{4w  
&%X J
f~IQ  
6. 说明：闪耀光栅 u mlZ(??.  
9@Sb! 9h  
3~</lAm;  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 @'*#]YU8  
 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 3}21bL  
h!K2F~i{P  
8uxFXQ  
f^4*.~cB  
 _)E8XyzF  
uAs*{:4n  
7. Czerny-Turner 测量原理 -^H5z+"^  
" B{0-H+  
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。 O{#Cddt:r  
ZYe\"|x
,s  
2w|u)ow)  
?ev G=S4>  
IKDjatn  
8. 光栅衍射效率 |
u;BAb  
wmE,k1G  
htYrv5q=M  
 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。 FRt/{(jro  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ^3|$wB=  
 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) 4s
BoD=e  
ff1B)e  
}8M`2HMFR  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 
%]0U60  
hS{ *l9v7  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ""'eT
pe  
sLa)~To
 
2Lekckgv  
tc<M]4-  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ,beR:
60)  
|C6(0fgWd  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 T{4fa^c2J  
,35:Srf|  
BMWeD  
]a!; `m$  
 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)。 dU>R<jl!$  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 _K}_h\e.  
g~hk-nXL.  
应用示例详细内容 /Np"J  
`J#xyDL6?  
仿真&结果 FR,#s^kF  
6a]f
&={E  
1. 结果：利用光线追迹分析 K: o|kd  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 qVD!/;l  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 5;MK

1l  
B%rr}Ro1e  
7
R<u=U  
bOSYr<R&  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 
_HHJw""j  
aQ&8fteFR  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 Pv %vx U  
 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)。 z?uQlm*We  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， _l!U[{l*d  
-?w v}o  
 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。
fo\J \  
a.}:d30  
MZMS?}.2  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms zGL<m0C  
z@l!\m
-  
3. 衍射效率的评估 1Q&WoJLfR  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 3@TG.)N4  
w HHF=Q  
gc2|V6(  
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。 3w^J"O/T  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd jU4)zN/`r  
`YmI'  
4. 结果：衍射级次的重叠 J'&B:PZObB  
 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。 w] 5U  
 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)。 \|pK Z6*s  
 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。 *Nf4bH%MN  
 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) i5E:FS^!I  
 光栅方程： AYPf)K;%  
d%_78nOh"  
dJQ }{,+6  
ttbQergS  
{F(-s"1;xO  
5. 结果：光谱分辨率 7\0|`{|R@  
!skb=B#  
jWv3O&+?X  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run q0b`HD  
*<.WL"Qhl  
6. 结果：分辨钠的双波段 N1+4bR  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 iUxDEt[t*  
   =Y]'5cn
{  
.sJys SA\  
*3F /Ft5  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 fVA=<:  
Wp7@  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run NDe[2  
4iYKW2a  
7. 总结 e"o6C\c  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 7>t$<J  
1. 仿真 *fQ?A|l!x  
以光线追迹对单色仪核校。 p-Rm,xyL%  
2. 研究 m|nL!Wc  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 8tT&BmT  
3. 应用 y?Hj%,  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 >p]WCb'PH  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 C>JekPeM  
扩展阅读 OXIu>jF  
1. 扩展阅读 >ggk>s|  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 4+/
fP  
\N`fWh8&  
 开始视频 {m_A1D/_  
- 光路图介绍 \'s$ZN$k  
- 参数运行介绍 "UhK]i*@l  
- 参数优化介绍 9
&O#+FU  
 其他测量系统示例： n!kk~65|  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) %?]{U($?  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) kwDh|K