[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) z Lw(@&  
DaDUK?  
应用示例简述 >~wu3q  
'M-)Os"  
1.系统说明 rkIMM,   
,!H\^Vfl  
 光源 +C5#$5];  
— 平面波(单色)用作参考光源 eI?HwP{m  
— 钠灯(具有钠的双重特性) _.-#E$6s#q  
 组件 ?RJdn]`4j  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 vX 1W@s  
 探测器 >uW^.e "F  
— 功率 4+I 3+a"  
— 视觉评估 kyu2)L2u  
 建模/设计 mF~ys{"t  
— 光线追迹：初始系统概览 pJ6Jx(  
— 几何场追迹+(GFT+)： C(U  
 窄带单色仪系统的仿真 -)>(8f  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 O!,Ca1N  
pJocI_v9  
2.系统说明 SdSg
n|S  
8W@dtZ,d  
*?p ^6vO  
/} a_8iM\  
3.系统参数 0}D-KvjyP  
7?,7TR2Ny  
ka8$dfC  
T?#s'd  
LS{bg.
e  
4.建模/设计结果 W7$s5G,  
cB<O.
@  
 d~sJ=)  
Yfe'#MKfL  
总结 /Bh>  

M$F{N  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Enu!u~1]F  
1. 仿真 [.ey_}X8  
以光线追迹对单色仪核校。 %6N)G!P  
2. 研究 HmW=t}!  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 n 3h^VQ*]G  
3. 应用 m^'~&!ba  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ry
kj2/O  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 }'v{dK  
NtqFnxm
/  
应用示例详细内容 \FVNXUMU  
系统参数 ;eP_;N5+J  
jmSt?M0.xV  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ma1(EJ/  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 <o~t$TH  
5`{=`  
*q}FV2  
ed=n``P~}  
2. 系统参数 0u>yT?jP  
^u3*hl}YKy  
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。 WFRsSp2  
7:z>+AM[r  
p?}f|mQS)  
#t){4J  
3. 说明：平面波(参考) zf`5>h|  
j{)fC]8H  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 1>hb-OMX  
h,]tQ#!s8  
lK "'nLL  
W8< @sq~I  
4. 说明：双线钠灯光源 
u IAZ
o;  
~KJ,SLzhx9  
*3!(*F@M,  
 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。 vf6`s\6  
 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)。 KuIkul9^%  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 E=}6X9X  
$|rCrak;  
nT_*EC<.  
p@vpd  
5. 说明：抛物反射镜 ?0 HR(N(z!  
w8G7Jy  
JvKO $^  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ejP,29  
 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。 1]"D%U=  
)uANmThOz  
pi|\0lH6W  
W&HF?w}s  
,<7"K&  
f+{c1fb>s  
6. 说明：闪耀光栅 0Wjd-rzc,  
#c6ui0E%;t  

@mvIt  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 T@B"BoKU  
 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 f;e_04K  
MKV=m8G=  
q sv+.aW  
-
K:yU4V  
Qk?jGXB>^  
P;^y|0Nm  
7. Czerny-Turner 测量原理 | -JI`!7  
c'"#q)  
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。 Xq+!eOT  
-b
].SG5S  
R 4DM_u  
AEB/8%l};v  
AmP#'U5  
8. 光栅衍射效率 uCY(:;[<  
E%-Pyg*  
Rbx97(wK  
 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。 n/ui<&(  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 KK@ &q  
 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) }9{dR4hD  
M' &J_g  
,O$Z,J4VL  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd _cW_u?0X:  
t.3Ct@wK  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 9yh9HE  
l\q*%'Pe  
;M%oQ>].[  
yTzY?  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 C4&U:y<ju  
kqj;l\N  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 l[tY,Y:4qO  
59&T
/  
bRx2 c  
G> f^2  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 'CP/ymf/a  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 K<$wz/\  
/X(@|tk:  
应用示例详细内容 EJWOXxU  
:iP>z}h  
仿真&结果 G3Idxs  
^L>MZA ?  
1. 结果：利用光线追迹分析 .
.vSL  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 W,QnU d'N  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 cpE25  
]jHh7> D  
+")qi=
 
9oZ} h&  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 8QkWgd7y  
)e4WAlg8c  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 tQNk=}VR7r  
 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)。 bYwI==3
 
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， .8u$z`j  
8@Egy%_  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 oUW)H  
71oFm1m{  
[@,OG-"&  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms pFpQ\xc9$  
YQN]x}:E+4  
3. 衍射效率的评估 ,pQ'w7  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 ?noETHz)  
\iFMU#  
:zizca4  
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。 ({;P#qCX  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd {:};(oz)f  
"D ts*  
4. 结果：衍射级次的重叠 SREDM  
 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。 YtwmlIar`  
 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)。 U^E  
 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。 dWzDSlP&  
 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) 4kW30Ma  
 光栅方程： %v?jG(o  
'Z*\1Ci  
nU
I63?  
Uv @!i0W  
_H~p
H7WU  
5. 结果：光谱分辨率 baUEsg[~V  
KKeb ioW  
Hrd5p+j  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run H(5S Kv5  
]p4`7@@)*  
6. 结果：分辨钠的双波段 aGq_hP   
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 x
'E'jh%  
   rh:s 7  
Q%,o8E2~  
G"T;l"TAt8  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 gmF_~"^34  
D\45l  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run <;$Sa's,LE  
&y#\1K  
7. 总结 I2t-D1X  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 1=9qAp;?o  
1. 仿真 B|]t\(~$[  
以光线追迹对单色仪核校。 7AGZu?1]M  
2. 研究 38x[Ad4%  
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。 pz*/4  
3. 应用 N3XVT{yo  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 dvg;  
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。 mr{k>Un\  
扩展阅读 ;w>3,ub(0  
1. 扩展阅读 hQg,#r(JE4  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ~cO?S2!W  
-)y> c  
 开始视频 dUsJv  
- 光路图介绍 u):%5F/  
- 参数运行介绍 X <ba|(  
- 参数优化介绍 HobGl0<y  
 其他测量系统示例： Q>SPV8s  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) z{D$~ ob  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Q8}TNJsU