[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) *Fu;sR2y%:  
KreF\M%Ke  
应用示例简述 m$WN"kV`,9  
9ELRn@5.  
1.系统说明 |Wz`#<t  
PCZ%<>v  
 光源 ]m@p? A$  
— 平面波(单色)用作参考光源 L6n<h  
— 钠灯(具有钠的双重特性) K</="3 HK  
 组件 Fa-F`U@h(m  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 (c|Ry[$|  
 探测器 %h"%G=:  
— 功率 +xn59V  
— 视觉评估 ' T%70)CM~  
 建模/设计 eiwPp9[0
8  
— 光线追迹：初始系统概览 H`EsFKw\%  
— 几何场追迹+(GFT+)： Eq6. s)10  
 窄带单色仪系统的仿真 X\HP&;Wd  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 gSt'<v  
VK3e(7b  
2.系统说明 bC0DzBnM;  
N={0A  
_ m<@ou7  
IW5N^J  
3.系统参数 `~+[pY1r  
R~H+.Vh  
A`ScAzx5{  
sQgJ`+Y8_  
o6c>sh  
4.建模/设计结果 0p[-M`D  
IfzZ\x .  
H#FH'@J  
Rn5{s3?F~2  
总结 dZ%rmTE(H  
v%!'vhf_K  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 66Bx,]"6  
1. 仿真 $Eh:m&hq  
以光线追迹对单色仪核校。 *@zya9y9q  
2. 研究 8Q\ T,C  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 vCsJnKqK  
3. 应用 }CB9H$FkCY  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ql(~3/kA_  
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。 bm#/ KT_8  

EJaGz\\  
应用示例详细内容 z-G*:DfgH  
系统参数 <jIuVX  
~xU\%@I\  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 /\d@AB^5I  
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。 NNn sq@?6  
6<{XwmM  
!X ={a{<,T  
t2RL|$>F1  
2. 系统参数 /
MV2#P@  
L#Rj~&U  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 prO
~g  
"s.s(TR8  
b3l~wp6>  
9/$Cq  
3. 说明：平面波(参考) /nzJ`d  
yL"UBe}v  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 "eZ~]m}L0  
%{ +>\0x
  
y?ypRCgO.u  
\<Di|X1  
4. 说明：双线钠灯光源
/5"RedP<  
|ohCA&k%;  
!T RU  
 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。 'l6SL- <  
 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)。 (65|QA   
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 Fb<fQIa  
}
-T :  
gX;)A|9e  
]@ N::!m  
5. 说明：抛物反射镜 eoxEnCU  
qX:YI3:,@  
\fJ_,  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 p"d_+  
 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。
\VHRI<$+5  
.'zcD^  
U)] }EgpF  
Wh^wKF~%  
!MEA@^$#  
%&pd`A/  
6. 说明：闪耀光栅 !;E{D  
Dgm"1+  
O[15xH,  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 v{oHC4  
 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 H/$oGhvl  
UX@8  
|DLmMsS4  
1!&m1  
F`M`c%  
8Dc
IM(;Z  
7. Czerny-Turner 测量原理 v?s%qb=T  
>N-l2?rE  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 "J>8ZUP  
/kNS
B;  
`Tc"a_p9t  
9"f  
DT3koci(  
8. 光栅衍射效率 #D .hZ=!  
F&$~]R=&  
Cp^`-=r+  
 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。 M sQ=1  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 >(C5&3^  
 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) 1-~sj)*k  
jh"YHe/X  
Y{OnW98  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 5v"Sv  
N7-LgP  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 AYv7-!Yk  
Jp-6]uW  
BQL](Y"  
%s ">:  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 jO}<W1qy  
1;JH0~403  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图
RSBk^  
xP$\ }  
5#Et.P'  

{!xDJnF;  
 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)。 x,UP7=6  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 PH>`//D%n?  
%a|m[6+O  
应用示例详细内容 Ue(\-b\)  
\CrWKBL  
仿真&结果 }ZJ*N Y  
c|Fu6LF a  
1. 结果：利用光线追迹分析 2<tU  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 |'](zEwq  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 TV~S#yg+H  
La r9}nx0  
a]@BS6  
S@cKo&^  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd g[(Eh?]Sc  
A$-\Er+f  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 -;iCe7|Twf  
 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)。 k:#u%Z   
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， $lb$<  
xM**n3SZ`  
 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。 y\ax?(z  
C=`MzZbJ  
JzmX~|=Xi  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms oW3|b2D  
Dr5AJ`y9A  
3. 衍射效率的评估 > *soc!#Y  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 zo:NE00  
3u[5T|D'  
;@H:+R+(  
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。 Z+2 j(  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd FTWjIa/[  
R7/ET"  
4. 结果：衍射级次的重叠 mq+<2 S  
 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。 \{;3'<  
 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)。 $Z<x r  
 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。 $^`@lyr  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) aV#phP  
 光栅方程： 0A')zKik  
"~L$oji  
i9D<jkc  
O3tw@ &k
 
5IfC8drAs  
5. 结果：光谱分辨率 T l8`3`e  
pyp0SGCM:  
yaYJmhG  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run y#i` i  
_ O;R  
6. 结果：分辨钠的双波段 J=b'b%  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 &/(JIWc1su  
   =b#:j:r  
vrIWw?/z?  
JC iB;!y  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ^9 ^DA!'  
a(lmm@;V<  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run wY"BPl]b  
VcLzv{  
7. 总结 j+("4b'  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 BbhC0q"J  
1. 仿真 +#9 4X)*  
以光线追迹对单色仪核校。 <[?ZpG  
2. 研究 EkoT U#w5  
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。 ?{\h`+A  
3. 应用 ,,]<f*N  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 pd-I^Q3-  
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。 ATjE8!gO!  
扩展阅读 d&naJ)IoF)  
1. 扩展阅读 gv,1 CK  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 [DvQk?,t  
m]Mm(7v(  
 开始视频 5]zH!>-F  
- 光路图介绍 p$mt&,p  
- 参数运行介绍 10^FfwRfM  
- 参数优化介绍 CW -[c  
 其他测量系统示例： ZqXp f  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 3Scc"9]  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Xr
I$@e*