[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) $F]*B `  
O@skd2  
应用示例简述 (@=h(u.  
'CRjd~L  
1.系统说明 =>O{hT^F  
G)gb5VW k  
 光源 ^Of\l:q*  
— 平面波(单色)用作参考光源 ?Iag-g9#=m  
— 钠灯(具有钠的双重特性) pezfB{x?  
 组件 t&IWKu#  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 l vBcEg  
 探测器 ?q y*`  
— 功率 g3Ul'QJ  
— 视觉评估 nk;+L  
 建模/设计 OJ.oHf=K!  
— 光线追迹：初始系统概览 "S>VqvH3  
— 几何场追迹+(GFT+)： Eks<
O  
 窄带单色仪系统的仿真 0;%\L:,O  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 l>("L9  
]jR-<l8I-  
2.系统说明 HaF&ooI5+  
w*u.z(:a`  
{ 3 "jn  
BU|m{YZ$  
3.系统参数 :\%hv>}|  
$-(lp0\*  
]#rNz"  
\\Z?v,XsS  
;x/.8fA  
4.建模/设计结果 gA19f  
}T53y6J#  
u=0161g  
`u8(qGg7GF  
总结 aaI5x  
}$a*XY1  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 <<9|*Tz  
1. 仿真 8/~@3-9EK  
以光线追迹对单色仪核校。 T ^/\Rr  
2. 研究 N_(-\\mq  
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。 +hs:W'`%  
3. 应用 Ia:M+20n  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 `'pfBVBz  
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。 *]DO3Zw'  
~SXqhX-`  
应用示例详细内容 vpdT2/F  
系统参数 VI.Cmw~S  
U?EXPi61Z  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 )H&ZHaO,_  
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。 T6\d]  
semTAoqH  
DH.CAV  
j3[kG#  
2. 系统参数 hl,x|.f}4Y  

V)ITk\  
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。 }G
"bD8+  
 &7eN EA  
<4I`|D3@  
$6d5W=u$H  
3. 说明：平面波(参考) `*B6T7p1  
6hHMxS^o  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 =vL >&$  
#5X+.!L  
5K=>x<  
@2+'s;mUV  
4. 说明：双线钠灯光源 Krr51`hZH  
 o%$R`;  
O81'i2MJ9  
 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。 <JW%h :\t  
 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)。 /5?tXH"  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 u\f QaQV  
$7p0<<Nck  
HUel  
j<h0`v  
5. 说明：抛物反射镜 D% 2S!  
_V3}F1?W  
:6Gf@Z&+  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 mzf^`/NO  
 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。 d 0:;IUG  
4v`;D,dI
u  
P[H 4Yp  
^KQZ;[B  
}50s\H._C  
~Vc`AcWP  
6. 说明：闪耀光栅 0 R>!jw  
6Zv-kG  
mC'<Ov<eJ  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 |gfG\fL3V  
 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 +rKV*XX@  
&E-q(3-  
M[0NB2`Wp  
Na+3aM%%  
rW*[sLl3  
D<T:UJ  
7. Czerny-Turner 测量原理 X6r3$2!  
0 l
+Jq  
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。 6N/6WrQEeg  
y`pgJO  
N\fj[?f[  
5W09>C>OC  
es\Fn#?O  
8. 光栅衍射效率 zTw<9Nf  
2 yRUw  
VD+v\X_  
 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。 p }3$7CR/  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 )1!0'j99.  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) -CTLQyj)  
(:RYd6i  
c+ aTO"  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd b\UE+\a&  
kXOc)  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 Lv>OBHD  
R'^J#"[  
-.5R.~@  
/LLo7"  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 g2YE^EKU~  
,9$|"e&  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 /'bX}H(dq  
l(8@?t^;  
*EFuK8 ;  
j 5bHzcv  
 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)。 }eSrJgF4M  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 <9S5  
$?DEO[p.  
应用示例详细内容 j/1f|x  
`KieN/d%  
仿真&结果 Q3[nS(#Z/=  
/#[mV(k  
1. 结果：利用光线追迹分析 @u:
q#b  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ?2K~']\S  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 UW{C`^?=B  
-v9x tNg  
}wC=p>zA  
~NIqO4 D  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd af&P;#U  
7s0pH+  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 }5}#QHF  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 U[hokwZ  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， LRSt >; M  
J$S*QCo  
 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。 ,hCbx#h  
5-:H  
}&^1")2t  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms dlwOmO'Bm)  
=h/61Bl3  
3. 衍射效率的评估 27Vx<W  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 zG<>-?q~'  
m[hHaX  
,8stEp9~h]  
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。 Wli!s~c5Fo  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd SfPtG  
'_" S/X+v  
4. 结果：衍射级次的重叠 CUj$ <ay=  
 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。 GYV%RD#  
 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)。 xiF}{25a
 
 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。 xj JoWB  
 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) G~/*!?&z  
 光栅方程： [>lQiX  
fbkAu  
!)(To  
f+2mX"Z[F  
~l*[=0}  
5. 结果：光谱分辨率 [o.#$(   
9!6u Yf+  
BfQ#5  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run Q;kl-upn~8  
' ?EG+o8  
6. 结果：分辨钠的双波段 hfs QAa  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 _$KkSMA~_  
   ZpZoOdjslV  
iN2591S  
x#t?`  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 *]ME]2qP  
y 48zsm{  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run e?;  
UFeQ%oRa8  
7. 总结 rWJKK  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ,n$HTWa@0  
1. 仿真 M+7jJ?n  
以光线追迹对单色仪核校。 u89Q2\z~"M  
2. 研究 dDl_Pyg4K  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 35YDP|XZb  
3. 应用 TIno"tc3  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 vSk1/  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 S~GS:E#  
扩展阅读 W&2r{kCsQ  
1. 扩展阅读 2 y&k  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 h-\+# .YP  
;B;wU.Y"  
 开始视频 Z;6?,5OSc  
- 光路图介绍 TZarI-A  
- 参数运行介绍 isz-MP$:K5  
- 参数优化介绍 y>ePCDR3  
 其他测量系统示例： s_U--y.2r(  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) K^%ONultv  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 2=X.$&a