[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) -s'-eQF J  
G<;*SYAb  
应用示例简述 j$5
LN.8J  
RY*U"G0#w  
1.系统说明 maR"t+  
y L~W.H  
 光源 O%HHYV%[m  
— 平面波(单色)用作参考光源 ~.lPEA %%  
— 钠灯(具有钠的双重特性) Lq!>kT<]!  
 组件 t<?,F  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 w.-!UD9/.x  
 探测器  1ZB"EQ  
— 功率 S`m]f5u|  
— 视觉评估 XHGFf_kW_N  
 建模/设计 R_S.tT!  
— 光线追迹：初始系统概览 , SnSW-P  
— 几何场追迹+(GFT+)： "Os_vlapHo  
 窄带单色仪系统的仿真 -+-_I*(  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 yJe>JK~)  
dN[\xVcj  
2.系统说明 QnX(V[  
T37X
Bg H  
YkQd  
wJY'  
3.系统参数 j^2j&Ta  
2gVm9gAHUd  
H~z`]5CN  
0Pi:N{x8  
3%=~)7cF  
4.建模/设计结果 {U !g.rh  
Tc3yS(aq  
Z>#i**  
LvYB7<zk>  
总结 4tmAzD  
^@NU}S):yN  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 V,N%;iB}  
1. 仿真 ! #2{hQRu  
以光线追迹对单色仪核校。 !brf(-sr)  
2. 研究 c<$OA=n  
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。 Q>1[JW{$}  
3. 应用 vd4ytC  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 cD'V>[h  
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。 0>Z_*U~6  
fXQNHZ|4  
应用示例详细内容 C'}KTXiRW
 
系统参数 \v)+.m?n  
e6RPIg  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 Bo%NFB;  
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。 TBU&6M>{3  
UByv?KZi  
-_eLf#3  
k7usMVAA  
2. 系统参数 \d$!a5LF}  
_b;{_g  
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。 /FEVmH?  
EG |A_m85  
~Vjl7G\7i  
5(HG|  
3. 说明：平面波(参考) P3 ^Y"Pv?  
!ff&W1@  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 Czu\RXJR  
"o}+Ciul  
#],&>n7'  
Otm0(+YB7  
4. 说明：双线钠灯光源 7g}w+p>  
_[ZO p ~  
BbS
4m  
 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。 O55 xS+3^k  
 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)。 D]Xsvv
#  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 $43qME  
l$bu%SZ  
|64~K\X  
W#WVfr  
5. 说明：抛物反射镜 0T5L_%c  
L AA
HEv  
o"R7,N0rB  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ]^K4i)\  
 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。 G?/DrnK:  
qVwIo.g!  
_Qi&J.U>  
9.B KI/  
#d2.\X}A"3  
R/>@+  
6. 说明：闪耀光栅 CooQ>f  
JQHvz9Yg  
2n"V}p>8i#  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 nq8C'Fo!6T  
 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 ptxbDzOz  
i3'9
>"`  
;&-k#PE]/H  
1 \6D '/G  
D#JL!A%O  
'K{Z{[s{  
7. Czerny-Turner 测量原理 Oh6fj}eK  
:\7X}n
*&  
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。 vJOw]cwq  
(7=!+'T"  
=uYYsC\T  
s 3f-7f<  
?[Q3q4  
8. 光栅衍射效率 JKmIvZ)8  
G`BU=Fi  
lHe{\N[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。 ly_HWuFJ3  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 HqD^B[
jS  
 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) s6.M\^  

;{tj2m,  
A='N=^Pm  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd \k!{uRy'  
8~z~_TD6m@  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 D}8[bWF  
/Uy"M:|V1  
QD*35Y!d  
.NC:;@y  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 OO*zhGD;[  
Jx7C'~,J  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 };jN\x?&q  
Jx](G>F4f1  
9V@V6TvW>&  
*>2W#D)b=  
 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)。 sAS:-wp  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 *XbEiMJ  
r@t9Ci=}  
应用示例详细内容 f"SD/]q-  
%r}{hq4  
仿真&结果 {NFr]LGOp  
:AF =<X*5  
1. 结果：利用光线追迹分析 VZymM<O  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ^!ZC?h!rG  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 SVs_dG$  
D rHVG  
X"e5Y!:M-  
vZ&T}H~8  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd _R13f@NWB:  
6ZG+ZHUC&  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 _Wp{[TH  
 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)。 vV6I0  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， vAh6+K.e  
p&bROuw<T  
 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。 -vR5BMy=  
> BY&,4r  
rrqR}}l  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms }v*G_}^  
uU <=d  
3. 衍射效率的评估 D=m9fFz  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 X
=!^] 3zH  
&d+Kg0:  
Avd ^  
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。 3z)Kz*xr  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd B~JwHwIhA  
$.PuK~}  
4. 结果：衍射级次的重叠 P&)xz7wG  
 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。 YoZFwRQU  
 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)。 ,dov<U[ia  
 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。 o-{[|/)Tk  
 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) *`\Pr  
 光栅方程： G!W[8UG  
=;3Sx::=  
t.&Od;\[/  
I)cFG{~L  
EQ`(yj  
5. 结果：光谱分辨率 WD2]&g  
{VvqO7A  
!?
p%xj?  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run v'qG26
  
/#-C4"|  
6. 结果：分辨钠的双波段 RIXMJ7e7  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 (m.ob+D  
   SHb
tWq}T  
0]=i}wL 8  
u7[ykyV  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ;04Ldb1{|3  

X*39c b(b  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run g[Ib,la_a  
Xr2ou5zAn  
7. 总结 &nkW1Ner9  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 H]p!\H  
1. 仿真 `m?c;,\  
以光线追迹对单色仪核校。 jbu8~\"  
2. 研究 x&9hI  
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。 ,:
`4%  
3. 应用 a /#PLP  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 HA`@7I  
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。 vj\dA2!~  
扩展阅读 r77PQQDT  
1. 扩展阅读 "D'B3; uWK  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 M^iU;vo  
K]|> Et`  
 开始视频 h0-hT   
- 光路图介绍 2Sp=rI  
- 参数运行介绍 Eu-RNrYh#  
- 参数优化介绍 %1O[i4s:-  
 其他测量系统示例： NqEA4C  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) [y)`k@  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) T[4<R 5}