[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) ldp9+7n~  
9jf9u0  
应用示例简述 p: z][I  
^cPVnl  
1.系统说明 #'KM$l,P  
E-Xz  
 光源 $#n9C79Z@  
— 平面波(单色)用作参考光源 %E@o8  
— 钠灯(具有钠的双重特性) XYP RMa?  
 组件 KxKZC}4m  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 3YLfh
`6  
 探测器 `T+>E0H(f  
— 功率 Dx /w&v  
— 视觉评估 ?/MkH0[G=  
 建模/设计 x7E]
}h  
— 光线追迹：初始系统概览 3xW:"  
— 几何场追迹+(GFT+)： QChWy`x  
 窄带单色仪系统的仿真 6P>Y2xV:  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 )vOBF5  
=/'>.p3/S  
2.系统说明 qh6b;ae\x  
ku*k+4rz  
T7mT:z>:  
6<\dQ+~  
3.系统参数 [>GblL  
Jgr;'U$  
'qiAmaX  
rU9")4sQ  
Wx3DWY;  
4.建模/设计结果 dkEbP*yXg  
<`Fl I
go  
8g{Mv#b%  
cu5}(  
总结 ']
2d^'TH  
*
^
]  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 3v3cK1K@oE  
1. 仿真 Y{e,I-"{  
以光线追迹对单色仪核校。 y=\&z&3$  
2. 研究 9HN&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。 a>4q"IT6  
3. 应用 AX+]Z$  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 -,/6 Wn'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。 J_&cI%.  
Z-CA9&4Uh  
应用示例详细内容 tOnOzD  
系统参数 *wqR.n?  
Yy/,I]F  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 _+)
OL-  
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。 d=+zOF  
 7Tr '<(A  
6w3[PNd  
)N^fSenFBn  
2. 系统参数 =HMCNl  
Rj
P]8tH&  
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。 7?k3jDK  
U<XfO'XJ  
aW|=|K  
j3w~2q"r  
3. 说明：平面波(参考) %CQa8<q  
dQH8s  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 q2B'R   
c+ZdfdR  
TGG=9a]m  
Wn;%B].I  
4. 说明：双线钠灯光源 ?^-fivzS>  
2XBHo (  
dwvc;f-  
 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。 Xeis_  
 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)。 >W/mRv&  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 FR50y+h^$  
yoq-H+<  
HWou&<EK  
)<'2 vpz  
5. 说明：抛物反射镜 IwbV+mWQ  
^N ;TCn  
6eB~S)Ko  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 o"N\l{#s  
 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。 3,#qt}8`  
YyYp-0#  
Rdj3dg'<  
5``usn/&Kj  
Bz,Xg-k+  
)cOBP}j+  
6. 说明：闪耀光栅 VD,g3B p  
N1:)Z`r  
j~Ci*'*L  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 /8dRql-Ne  
 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 c2gZ
<[~  
6I]{cm  
!YM:?%B  
iy8Ln,4z(  
j6*e^ B  
&u2m6 r>W  
7. Czerny-Turner 测量原理 .)t*!$5=N  
#x6wM~  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 z^KBV^n  
|F=.NY  
.nA9irc  
sA"B/C|(g  
se_Oi$VZ{  
8. 光栅衍射效率 oC!z
+<  
xf:|lQf  
nob}}w]~C  
 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。 \$,;@H5I^  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 e/)Vx'd`+  
 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) ~^3U@(:  
A(C0/|#V  
$U^ Ms!'L  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 0o@eE3^  
1q*=4O  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ){tTB  
-OgC.6  
b u/GaE~  
@zsqjm  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 '_n$xfH  

-{*QjP;K  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 2) Q/cH\g  
x)kp*^/  
.T~Oc'wGo  
K>2Bz&)  
 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)。 Q,o"[ &Gp  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 %$R]NL|  
p"Di;3!y!  
应用示例详细内容 SUoUXh^!w  
#.@D}7y5  
仿真&结果 :RXzqC  
gF|u%_y-qt  
1. 结果：利用光线追迹分析 EHq?yj;  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 0*/[z
~Z-1  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 5q}7#{A  
U,\t2z  
l4E0/F  
0ol*!@?  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd mw${3j
~&  
#t&L}=G{%  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 3gs7Xj%N  
 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)。 E^Z?X2Z  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， F*,RDM'M  
@aWd0e]  
 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。 Dgz^s^fxU  
14 hE<u  
;c#jO:A5  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms vq5o?$:-  
'!XVz$C  
3. 衍射效率的评估
6"c(5#H  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 6L&_(/{Uw  
5oY^;)\/  
Wtj*Z.=:  
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。 qZh}gu*>  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd !='L`.  
J@(69&  
4. 结果：衍射级次的重叠 rIAbr5CG  
 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。 G@6F<L~$1  
 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)。 6tBe,'*  
 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。 ~|8-Mo1ce  
 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) Ibu  5  
 光栅方程： 39Tlt~Psz  
Au{J/G<W@  
D'\gy$9m1  
2j-^F  
pn aSOyR  
5. 结果：光谱分辨率 F+m;y  
7SJtW`~  
sk~inIj-  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ee .,D  
\) g?mj^  
6. 结果：分辨钠的双波段 a/lTQj]A  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 t'bhA20Z\  
   *f3?0w  
7E\k97#G  
;a~ e  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 lw_PQ4Hp  
sH+ 90|?  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run zIbrw9G  
C;XhnqWv+l  
7. 总结 cPPTGpqw  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 +;N;r/d_i  
1. 仿真 'Em633  
以光线追迹对单色仪核校。 a3SBEkC  
2. 研究 v1\/dQK  
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。  ]YKxJ''u  
3. 应用 u\o~'Jz  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 )i$KrN6  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 #9p|aS\  
扩展阅读 F0/!+ho  
1. 扩展阅读 (A\\s$fE/1  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 v8 pOA<s  
M.fA5r
J^  
 开始视频 z?'z{+HY  
- 光路图介绍 5O"$'iL  
- 参数运行介绍 #= @?)\~  
- 参数优化介绍 *apkw5B}C  
 其他测量系统示例： i@#=Rxp  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) Mk!bmFZOZ  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) WSOz^]