[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) GLS`1!  
53g(:
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应用示例简述 L}*s_'_e^>  
)2&U Rt.  
1.系统说明 y3^>a5z!x  
u{Rgk:bn  
 光源 qm!&(8NfK  
— 平面波(单色)用作参考光源 dTATJ)NH  
— 钠灯(具有钠的双重特性) Xb/W[rcs  
 组件 eG\|E3Cb9  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 -45xa$vv  
 探测器 n'i~1pM,?  
— 功率 54^2=bp  
— 视觉评估 _e9S"``
 
 建模/设计 !_a@autj  
— 光线追迹：初始系统概览 dPVl\<L1  
— 几何场追迹+(GFT+)： Xy[*)<  
 窄带单色仪系统的仿真 [f8mh88r  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 3-%F)@n  
Qf$3!O}G  
2.系统说明 <$:Hf@tpMo  
-9X#+-  
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&_Vd  
3.系统参数 #P^cR_|\  
FN>ns,  
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OY@<'  
W "}Cfv  
LQr+)wI  
4.建模/设计结果 +{7/+Zz  
@D3|Ak1  
asLvJ{d8s  
/Y7YyjMi  
总结 ]Av)N6$&-Z  
#[<XNs!"  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 :krdG%r  
1. 仿真 b-Uy&+:X*d  
以光线追迹对单色仪核校。 V`,tu `6  
2. 研究 ?Z{:[.  
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。 c_RAtM<n  
3. 应用 aR@s. ll  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ]?/7iM  
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。 UbDRE[^P  
IMF9eS{
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应用示例详细内容 =eB^(!M  
系统参数 \-F F[:|J  
% a9C]?  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 xBevf&tP  
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。 H\[:uUK5\  
uY"Bgz:=d  
{ d*?O  
qz]g4hS  
2. 系统参数 y wf@G; fK  
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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。 "6} #65  
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$Lf-Gi  
fdCN?p[_  
3. 说明：平面波(参考) @*
s7~:VQ  
"n Zhuk  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 &|j^?ro6  
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zo{WmV7[|  
$SAk|  
4. 说明：双线钠灯光源 So^;5tG  
Y7L1`
<SC  
+ NpHk  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 q n2X._`  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 =w#sCy  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 c7[+gc5}  
%Q2<bj]  
omEnIf
QSO  
F~O}@e{  
5. 说明：抛物反射镜 ~ v21b?   
^7zXi xp  
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0I!L  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 `dpm{sn  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 MPxe|
Wws  
N%K%0o-  
\A'tV/YAd  
wFHbz9|@I  
q/N1q&  
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6. 说明：闪耀光栅 ',g'Tl^E  
%=t8   
NZh\{!  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 7yDWcm_y  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 c&rS7%  
lMN3;}K  
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lAqU  
<Jwx|  
`r$c53|<u  
1P17]j2C  
7. Czerny-Turner 测量原理 Tz"Xm/Gy  
y~ZYI]` J  
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。 aVXk8zuL  
4{Q{>S*h  
|_ u  
FO/[7ZH  
s;[OR  
8. 光栅衍射效率  `[=3_  
c@xQ2&i  
-ghmLMS%t  
 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。 v.~uJ.T  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 TODTR7yGo  
 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) F CbU> 1R  
<8[y2|UBt  
~t` uq  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd -{tB&V~+v  
~s[St0  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 }bZcVc2  
'q:t48&  
-? |-ux  
&~SPDiu.t  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 MkCq$MA  
)8rN  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 TcP (?v  
d>f.p"B.gj  

0OrT{jo  
;:/<XfZ  
 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)。 A3#^R%2)W  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 (r]3tGp  
{ejJI/o0  
应用示例详细内容 {}W9m)I  
X^!1MpEQ  
仿真&结果 ktu{I  
-hpJL\ng  
1. 结果：利用光线追迹分析 H1bPNt63  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 3S97hn{|=  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 hA0g'X2eC  
i3s,C;7[2  
Gd]!D~[1  
"{&?t}rj+  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd Z|h&Zd1z  
\en}8r9cy  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 :*`5|'G}  
 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)。 M2.Pf s  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， =DT7]fU
 
f'2Ufd|J|  
 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。 X9YYUnR2  
EC]b]'._  
j1yW{  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms {);S6F$[3  
YjT7_|`(]  
3. 衍射效率的评估 >\x   
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 xD#r5  
ZMI!Sl  
,dG2[<?o  
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。 F_?aoP&5  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd :JEzfI1  
e{~3&  
4. 结果：衍射级次的重叠 ~`<(T)rs  
 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。 -S ASn  
 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)。 2[#7YWs  
 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。 k6pXc<]8  
 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) #:Tb(R   
 光栅方程： k
s=l Nz9  
}aPx28:/  
y7s:Buyc  
4]VoIUIuN  
&6yh4-(7  
5. 结果：光谱分辨率 K)z!e;r  
~Lyy7B9  
z&
3in  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ep<O?7@j-G  
K_fQFuj+  
6. 结果：分辨钠的双波段 $Ka-ZPy<#  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 EqN_VT@  
   (}E ] g  
<Ag`pZ<s  
tY1M7B^~  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ;~2RWj=-  
e
)Be*J]4  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run TT'sO[N[  
&<s[(w!%%  
7. 总结 @F+zME   
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 O e-FI+7  
1. 仿真 :$>Co\D  
以光线追迹对单色仪核校。 U^ecg{  
2. 研究 x}8 U\  
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。 #i8] f{  
3. 应用 J<<Ph  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 L=ala1{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。 Q*W`mFul  
扩展阅读 v(=?ge YLo  
1. 扩展阅读 :r{;'[38  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 *~t&Ux#hj  

wRa$b  
 开始视频 yc#0c[ZQu  
- 光路图介绍 ?!h jI;_&  
- 参数运行介绍 K>"]*#aBv  
- 参数优化介绍 P)
>`^wc$  
 其他测量系统示例： E
H*Lw c  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) !`3q9RT3."  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) cTU%=/gbc<