[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) :C65-[PSdO  
YA +E\  
应用示例简述 |Clut~G  
9J>&29@us0  
1.系统说明 =<X?sj5  
eQD)$d_5  
 光源 isZAoYVu  
— 平面波(单色)用作参考光源 }c}| $h^Y  
— 钠灯(具有钠的双重特性) ulkJR-""&  
 组件 (v}>tb*#`  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 PV/77{'  
 探测器 43Qtj$F  
— 功率 h0g:@ae%&  
— 视觉评估 EVV
P]ND  
 建模/设计 N.]qU d  
— 光线追迹：初始系统概览 JNa"8  
— 几何场追迹+(GFT+)： g)_e]&  
 窄带单色仪系统的仿真 zOqn<Y@  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 n1&% e6XhO  
v%s`~~u%^  
2.系统说明 I]&#Dl/  
LjUy*mxw  
aP8H`^DFX>  
Rx);7j/5  
3.系统参数 8&3V#sn'  
:I:!BXQT$  
hDcEGU_  
IuOgxm~Y  
J]G?Rc  
4.建模/设计结果 _',prZ*  
Z6_N$Z.A  
L2pp6bW  
_/s(7y!  
总结 i 4%xfN  
2;^y4ssg  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 B]Y}Hu  
1. 仿真 T:IW%?M  
以光线追迹对单色仪核校。 1Lg-.-V  
2. 研究 B,K>rCZ/  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 :w<V  
3. 应用 @H7Wb}  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 @W^| ?  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 eXKo.JL  
C#
t'Y*  
应用示例详细内容 5fm?Lxr&?  
系统参数 S6+y?,^  
LwK+:4$  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 gOr%!QaF  
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。 &s$(g~ 4gC  
B:e @0049  
xZQg'IT  
awOd_![c'  
2. 系统参数 S
nFk>`  
9(5OeH6o?  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 #%D_Y33;  
wmTq` XH)  
(d<4"!  
Mnz!nWhk  
3. 说明：平面波(参考) g-e#!(  
;Y;
qg  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 #SX8=f`K5  
lK4M.QV ?\  
7hi"6,  
+Wx{:  
4. 说明：双线钠灯光源 ^ mS o1?<  
^~$)F_`"
 
>zhO7,=,  
 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。 nIoPC[%_  
 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)。 :J:,m  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 *0|IXGr  
.>mr%#p  
5e}A@GyC  
CXO2N1~(J  
5. 说明：抛物反射镜 x)JOClLr  
>A<bBK#  
u_'!_T L  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 :OkT? (i  
 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。 a?6ab+7#  
[ e8x&{L-_  
Ai/b\:V9S  
ylB7*>[  
IhBp%^H0-  
TD9;kN1`  
6. 说明：闪耀光栅 MzP7Py 8.  
`KCh*i  
d5>H3D{49  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 VL/|tL>E^  
 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 =e}H'5?!  
!j\" w p  
}->.k/vc  
H{AMZyV0/d  
LS5vW|]w  
2<][%> '  
7. Czerny-Turner 测量原理 vNeCpf  
=1
u@7Bh  
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。 h@@nR(<i  
Fk6x<^Q<w  
3VUWX5K?  
!bD@aVf?5  
d @*GUmJ  
8. 光栅衍射效率 g1UGd  
\(PohwWWo  
1O!/g  
 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。 r&2~~_d3y  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 /\w)>0  
 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) V=X:=  
TP}h~8 /;  
_6k*'aT~FK  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd ~-#yOu ,w  
A+&xMM2Wj  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 WH$e2[+Y  
ZKz,|+X0G  
8`]=C~G  
VN'Wq7>6  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 M@(^AK{mU  
Pe_!?:vF  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ooj~&fu  
mCz,2K|^~  
'i8U  
JI/_ce  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 7P B)'Wl"6  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 IF +i3#$  
D&ve15wL  
应用示例详细内容 #"ftI7=42  
kJAn4I.l  
仿真&结果 X]y)ZF26  
9ktEm|F3  
1. 结果：利用光线追迹分析 M0' a9.d  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 jhGlG-^  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。

Gs*G<P"  
@[6,6:h|  
&5%dhc4&!&  
&6j<ca  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd H2r8,|XL  
#n  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 e/8z+H^H  
 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)。 OI0B:()  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 7$k8%lI;>  
Y=*P 8pg  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 f&x0@Q/eON  
o:Zd1"Z  
m7%C#+67  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms f{lZKfrp  
o+?rI p  
3. 衍射效率的评估 GOSI3RRn  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 70B)|<$  
w# *1/N  
zTD@  
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。 )2Hff.  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd @ 2_<,;$  
up%Z$"Y  
4. 结果：衍射级次的重叠 gLL\F1|0x  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 [WB{T3j  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 ?G08NR  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 zQH]s?v  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) (shK  
 光栅方程： oh#> 5cA8  
[ut#:1h^  
DJQglt}~  
^ie^VY($  
]]cYLaq(  
5. 结果：光谱分辨率 0+b0<  
PK&2h,Cu+  
5]jIg<j  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 4S L_-Hm.  
|z^pL1Z]5  
6. 结果：分辨钠的双波段 QMk+RM8U  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ACV ek  
   qd!#t]  
{$^SP7qV#>  
fw{,bJ(U  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 y~F<9;$=  
"L3Xd][  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 5]7&IDA]]9  
aEx(rLd+  
7. 总结 L"rcv:QWZa  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 WwW^[k (X  
1. 仿真 *+8%kn`c  
以光线追迹对单色仪核校。 qSQ@p\O~  
2. 研究 vZajT!h  
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。 LxT rG)4  
3. 应用 $`vkw(;t)1  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 P 4;{jG  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 c6b0*!D"}  
扩展阅读 4R+P  
1. 扩展阅读 k_3
j '  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 H_X?dj15  
[[qwaI  
 开始视频 MB*u-N0v  
- 光路图介绍 Sue 6+p  
- 参数运行介绍 Qg0vG]  
- 参数优化介绍 >IR$e=5$  
 其他测量系统示例： ma9ADFFT  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) =ef1XQ{i*  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 9NWloK6bT