[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) p?$N[-W6-  
FL\pgbI  
应用示例简述 M@es8\&S.  
/)TeG]Xg  
1.系统说明 #Q=73~  
>Y4^<!\
v  
 光源 o`n8Fk}i  
— 平面波(单色)用作参考光源 Xd:{.AXW  
— 钠灯(具有钠的双重特性)  ="]r{  
 组件 B`QF;,3S  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 S=P}Jpq?Y;  
 探测器 WILa8"M  
— 功率 C2R"96M7
q  
— 视觉评估 sBZn0h@  
 建模/设计 O83J[YuzjN  
— 光线追迹：初始系统概览 ;cf$u}+  
— 几何场追迹+(GFT+)： 6xx.Z3v  
 窄带单色仪系统的仿真 :i>LESJq  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 0Lj;t/mG  
Z]Xa:[  
2.系统说明 ]uFJ~:R  
5)f 'wVe  
#8t=vb3  
gtH^'vFZ  
3.系统参数 e/Z{{FP%6  
BD]J/o  
!KXcg9e  
;sA 5&a>!  
L$c 1<7LU  
4.建模/设计结果 N_:!uR  
w;@v#<q6  
$xW9))  
EUt2S_2P  
总结 w@2NXcmw  
NUnwf h  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 #(qvhoi7lM  
1. 仿真 br88b`L  
以光线追迹对单色仪核校。 ;PMPXN'z6  
2. 研究 8ZV!ld  
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。 G?F!Z"S  
3. 应用 #vK99S2  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 R{brf6,  
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。 y+BiaD!U  
Z .`+IN(>E  
应用示例详细内容 [i~@X2:Al  
系统参数 ~Fvz&dO  
Kc] GE#~g  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 OkQ< Sc   
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。 )]Zdaw)X  
xs6!NY  
Se??E+aX  
)LG!"~qiz  
2. 系统参数 Jyd[Sc)  
d>J +7ex+  
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。 b6e2a/x  
Ld:-S,2  
'O~_g5kC  
`Q+O#l?  
3. 说明：平面波(参考) X..M!3
W  
( q*/=u  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ?jO<<@*2S  
%QDAog  
Y"5FK  
'h&>K,U?5  
4. 说明：双线钠灯光源 w'i+WEU>l  
'yOx&~H]  
q=cnY+p>  
 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。 hHEn  
 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)。 sFk{Tv@Yz  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 <!W9EM  
(8S+-k?  
|&S
^L}V.C  
NSRY(#3  
5. 说明：抛物反射镜 !=vsY]  
e'|P^G>g  
}+NlYD:qF  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 A{{rNbCK  
 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。 &xj,.;
  
L!5="s[}  
suX^"Io%!  
4ti
Cxf)  
*bcemH8f  
7'.6/U  
6. 说明：闪耀光栅 Ov:U3P?%  
]C_$zbmi  
$f"Ce,f  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 r_^
]5C\  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 -k,}LJj
o  
wXeJjE%j:3  
mk-L3H1@J3  
g>?,,y6/w  
ac43d`wpK  
8(6mH'^y  
7. Czerny-Turner 测量原理 %[?{H} y  
*q1sM#;5  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 7BgA+Fz  
SsL>K*t5  
_rUsb4r  
ltl(SIi  
I} ]s(  
8. 光栅衍射效率 a^L'-(  
dBL{Mbh2Z  
Ga"<qmLMc  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 !\Q/~p'jS  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 44hz,  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) lgCOp%>  
&2Cu"O'.i  
O;;vz+ j  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd D7N` %A8   
0 KWi<G1  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 (@*#Pn|A  
74Il]i1=  
J@9E20$  
%lK]m`(  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 (B
fy   
~u80v h'  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 HuL9' M
 
(/_Z^m9  
dLu3C-.(  
kasx4m]^  
 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)。 "IsDL^)A9  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 O7Awti-X  
cW, 6MAQo  
应用示例详细内容 b"#|0d0  
Qte'f+  
仿真&结果 D\GP+Ota  
Y]1b39O  
1. 结果：利用光线追迹分析 `Df)wNN1  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 bX]$S 5c_u  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 yu62$d  
WAbt8{$D  
?IV3"\5  
O!\\m0\e  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd K1Wiiw  
1=%\4\  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 [VwoZX:  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 fDY#&EO: %  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， z+B"
RV  
7L&=z$U@m  
 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。 |Gh~Zup  
.B9rG~  
8MPXrc,9-  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms O>`DR0  
Z:}d\~`x$%  
3. 衍射效率的评估 7w{>bYP  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。
~nG?>  
gG.b=DvzY  
p1L8g[\  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 %t^-Guz  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd H{CG/+x  
`!\`yI$!%w  
4. 结果：衍射级次的重叠 NrdbXPHceN  
 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。 f=Rx8I  
 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)。 Ey
!+rq}  
 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。 m[FH>  
 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) xTW$9>@\m  
 光栅方程： ca1A9fvo  

~vIQ-|8r:  
E=Z.v  
PNn{Rt  
|,89zTk'  
5. 结果：光谱分辨率 Jtxwt[  
QvH=<$  
fWywegh  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ^?H3:CS  
?_9A`LC*  
6. 结果：分辨钠的双波段 u<l[S  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 +AyrKs?h  
   -*u7MFq_  
U1t7XZ3e  
0
;j)rmt  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 /8i3I5*  
x2\,n  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run hX~d1.]Y  
x_vaYUl)  
7. 总结 -Fe))Y'=  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。
I
=)u:l c  
1. 仿真 rn7eY  
以光线追迹对单色仪核校。 [;/ydE=  
2. 研究 `)5E_E3  
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。 _>8ZL)NQQ  
3. 应用 i[_WO2  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 1>1&NQ#}  
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。 25RFi24>D  
扩展阅读 B`xrdtW  
1. 扩展阅读 ^-9g_5  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 :O}=$[  
l.c*,9  
 开始视频 |?=K'[5  
- 光路图介绍 m?]XNgT  
- 参数运行介绍 dMw0Aw,2]8  
- 参数优化介绍 .mzy?!w0q  
 其他测量系统示例： "|yuP1;L  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) N|OI~boV%  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) P".CZyI-i