[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) ^0#;YOk  
@m?QR(LJ  
应用示例简述 :0/q5_t  
.^bft P\  
1.系统说明 ||zb6|7I4  
@w>zF/  
 光源 yi^b)2G  
— 平面波(单色)用作参考光源 HK~xOAF  
— 钠灯(具有钠的双重特性) U#n#7G6fRp  
 组件 5VO;s1  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 4G@nZn  
 探测器 n$aA)"A #  
— 功率 cD4 kC>P*  
— 视觉评估 |ea~'N1  
 建模/设计 ]?h`:,]  
— 光线追迹：初始系统概览 [DHoGy,P  
— 几何场追迹+(GFT+)： IG?'zppjd6  
 窄带单色仪系统的仿真 O'GG Ti]e  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 \]9.zlB  
)>7%pz  
2.系统说明 azP+GM=i7  
7n o5b] \  
WU4UZpz  
n}mR~YqD  
3.系统参数 <}jPXEB"  
E1&b#TE6O  
l/
y]nw  
)s9',4$eK<  
dx,=Rd5'  
4.建模/设计结果 $ \*` }Y  
|B
ZDhd9<{  
hSGb-$~F  
q4UA]+-*  
总结 O8U<{jgAG  
W2;N<[wa<u  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 0)m8)!gj  
1. 仿真 O|cu.u|  
以光线追迹对单色仪核校。 65,(4Udz!  
2. 研究 +fKtG]$  
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。 >%Ee#m  
3. 应用 INSkgOo  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 P%Ay3cR+E  
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。 f-2$ L  
`N/RHb%  
应用示例详细内容 T88Y qI  
系统参数 !}M,  
mgZf3?,)  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 7:NmCpgL!  
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。 "tS'b+SJ-S  
w>xV  
+~nzii3  
ExHAY|UA  
2. 系统参数 _kFYB
d  
f DgD@YCD  
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。 :RxHw;!  
2WvN2"f3  
]J2:1
94  
fR-C0"c  
3. 说明：平面波(参考) ,}D}oo*  
n uQM^2  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 S06Hs~>Y  
1U\$iy8}  
Aw!gSf)  
V_U'P>_I  
4. 说明：双线钠灯光源 r!N]$lB  
*
B)yy[8j+  
(y4#.vZh:  
 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。 RBGlz
k  
 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)。 Ix
DWJ#k  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ^ons:$0h  
CPazEe1S  
|`yZIY_  
O,V9R rG  
5. 说明：抛物反射镜 1D([@)^  
dpN@#w  
a?cn9i)#  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 mZ0J!QYk  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 xcCl (M]+  
T9y;OG  
~bA,GfSn0  
\Mx JH[  
zxZtz  
r;cV&T/?  
6. 说明：闪耀光栅 Sj 3oV  
|@VF.)_  
@y~P&HUN  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 \Xg?Ug*9w  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 %.x@gi q  
0??Yr  
2O""4_G  
3-wD^4)O,  
GaNq2G  
?H;{~n?  
7. Czerny-Turner 测量原理 V/#v\*JHFc  
E%k7wM {  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 q
7]>i!A  
m24v@?*  
]gd/}m)1  
DR+,Y2!_GT  
,=w!vO5s  
8. 光栅衍射效率 M StX*Zw  
' lo.h""  
x(r+P9f\<  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 MR9/Y:Nm  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 KXBL eR&^  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) L=1~ f-  
)@PnTpL*  
mA{#]Yvf1  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd {gkwOMW  
3B18dv,V  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 2*[Un(  
,Q2N[Jwd$  
CI^|k
/  
c;V D}UD'  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 -
Ds|qzrN%  
;~tsF.=
 
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 IKm&xzV-  
:I
/  
j 2}
v}  
?n*fy  
 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)。 hLA;Bl  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 !UNNjBBP7  
Wvr+
y!F  
应用示例详细内容 d(l|hmj4j9  
zO2{.4  
仿真&结果 p?Sl}A@`  
S%+R#A1  
1. 结果：利用光线追迹分析 K\sbt7~  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 u6_jn
ZGB  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 %Dyh:h  
lP0k:  
r{"uv=,`  
9s $PrF  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 0eA5zFU7  
FGVb@=TO>  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 DT? m/*  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 UX}*X`{  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， !GNXt4D  
nVTM3Cz  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 ;eR{tH /4  
N !IzB]  
|Y{
PO&-?r  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms  1~EO+  
hO;9Y|y  
3. 衍射效率的评估 %c0z)R~  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 {y/-:=S)A  
hT=f;6$  
(w2(qT&O  
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。 j];G*-iv{  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd QZ0R:TY  
$B ?? Ip?P  
4. 结果：衍射级次的重叠 ?H0m<jO8~  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 `(T!>QVW+g  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 [D9
:A  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 |$Xf;N37t  
 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) [Pqn3I[  
 光栅方程： }z{wQ\  
%#4 +!  
4(sttd_  
+ o
{*r#  
a^/K?lAB8  
5. 结果：光谱分辨率 MBv/  
5%qH7[dx  
%%x0w^  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run w[{*9  
cP('@K=p  
6. 结果：分辨钠的双波段 .r*#OUC  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 w%I8CU_}.  
   %OFj  
$$~a=q,P[  
 I9Om#m  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 um{e&5jk  
'W+i[Ep5Q  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run lG <yJ~{  
}_vM&.GFlL  
7. 总结 ?GfxBZ
WJ  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 #O><A&FrF`  
1. 仿真 VX&WlG`wa  
以光线追迹对单色仪核校。 @oA0{&G{  
2. 研究 A{t"M-<  
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。 ;6zPiaDQ  
3. 应用 "YD.=s  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 =lm nzu<  
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。 TL]
bY'%  
扩展阅读 Yim#Pq&_  
1. 扩展阅读 8}9Ob~on  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 [Q=4P*G}X  
`L;OY 4  
 开始视频 M(NH9EE  
- 光路图介绍 e-jw^   
- 参数运行介绍 6VGo>b;  
- 参数优化介绍 cL ae=N  
 其他测量系统示例： @,GjeF]!  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) =_uol8v  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) "TUPYFK9