[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) 4\6-sL?rW  
*xl930y  
应用示例简述 5v uB87`  
EC6Q<&]Iw  
1.系统说明 e~wJO
~  
@^)aUOe  
 光源 i47xF7y\  
— 平面波(单色)用作参考光源 4[eQ5$CB<u  
— 钠灯(具有钠的双重特性) ERE1XOe=D  
 组件 j+>#.22+  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 (DW[#
2\.  
 探测器 8sV_@<l<X  
— 功率 N%,!&\L  
— 视觉评估 XazKS4(  
 建模/设计 {_]'EK/w  
— 光线追迹：初始系统概览 F$QAWs  
— 几何场追迹+(GFT+)： t#0/_tD  
 窄带单色仪系统的仿真 08!pLE  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 /W6r{Et  
T|c9Swur  
2.系统说明 t`XYY  
f#W5Nu'*!  
1M4I7*r  
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3.系统参数 &!kr&g#]  
)/hb9+S  
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2eOde(K+  
z>f>B6  
4.建模/设计结果 l]s,CX  
@?w8XHEa|  
a^*@j:[  
e(^\0=u<  
总结 qQ_o>+3VAy  
)cMW,  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 #\[
((y:q  
1. 仿真 .i7bI2^  
以光线追迹对单色仪核校。 _l`s}yC  
2. 研究 @Ik@1  
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。
M=}vDw]Q  
3. 应用 "SuBtoK  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 <V3N!H_d  
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。 H n
Rd  
;(kU:b|j  
应用示例详细内容 Y2DR oQ  
系统参数 4I>I  
\gh`PS-B  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 {&'u1yR  
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。 v;9VX   
s^/<6kwO  
^XV=(k;~bX  
qq&G~y  
2. 系统参数
QPi]5z?  
Lmy ^/P%  
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。 dnby&-+T  
FuZ7x
M,  
M~/%V NX  
y:0j$%^  
3. 说明：平面波(参考) rKDMIECrm  
%}U-g"I  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 x+}6qfc$9k  
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J^@0Ff;=5^  
u/5I;7cb  
4. 说明：双线钠灯光源 lg0iNc!  
u3 mTsq!  
3 ;F=EMz{  
 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。 kq[*q-:"x  
 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)。 g+ik`q(ge  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 PNSZ j#  
OBF2?[V~  
FDB^JH9d  
3N?WpA768/  
5. 说明：抛物反射镜 Y&O<A8=8  
$Nr :YI  
)fz)Rrr  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 -f.<s!a  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 U@<>2  
 0u4:=Z}W  
6g*B=d(j  
%Dg]n4f  
djeax  
&~+lXNXF  
6. 说明：闪耀光栅 Vwp fkD`  
N\IdZX%u  
taXS>*|B  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 6]dK,  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 A*BIudli  
A L#"j62  
u4L&8@  
#msXAy$N3r  
FO{K=9O  
tI&Z!fj  
7. Czerny-Turner 测量原理 ~_P,z?  
qlJP2Ig~  
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。 !<3(+H  
1(`>9t02/?  
BzL>,um  
#/ 1  
M0<gea\ =  
8. 光栅衍射效率 {~a=aOS  
Akf?BB3bC  
" 1YARGu  
 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。 Zqke8q  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 Ti }Ljp^O  
 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) C8%Iol  
l6.z-Qw  
f)\ =LV  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd y&NO[  
Vkdchc  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 :Vc+/ZyW  
<">tB"="b  
mT;1KE{J{  
:tY;K2wDM  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 [ZS}P  
<U=
:N~L  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 s5>=!yX  
WRQJ6B  
}tT"vCu  
+2=N#LM  
 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)。 -tWkN^j8+  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 zp>q$e40  
6;U]l.  
应用示例详细内容 oJw~g[  
'u$e2^  
仿真&结果 5An|#^]  
~HsPYc8Fz  
1. 结果：利用光线追迹分析 s{#ZRmc2B  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 A,rgN;5fb  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 M@S6V7  
*4Cq,o`o>  
8 ~.|^no  
;JMd(\+-  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd A{lzQO  
Pp1HOJYJp0  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 PA;RUe  
 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)。 /w{DyHT  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， ,9gyHQ~  
Er?Wg09  
 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。 L3P_  
u1O?
`  
g?!vRid@S  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms DYJ@>8  
E^_P  
3. 衍射效率的评估 <#JJS}TLk  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 iy Zs:4jkc  
=1f
O"|L  
*yOpMxE  
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。 =YkJS%)M)  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd a?K=  
j8nG Gx  
4. 结果：衍射级次的重叠 MjNCn&c  
 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。 i/R8Gb  
 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)。 q05_5  
 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。 fD#
|C~:=  
 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) "40Jxqt  
 光栅方程： AxLnF(eG  
e~jw YImA  
u&1n~t`  
6W."hPP  
*
;. l/  
5. 结果：光谱分辨率 Ath^UKO"  
w<-8cvNhiz  
1iEZ9J?  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run nJ |O,*`O  
bvzeUn  
6. 结果：分辨钠的双波段 48Y5ppcS  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 X*VHi  
   Q[`J=  
&Al9%W  
>tXn9'S  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 c%c/mata?  
5fPYtVm  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run $/5<f<%u&)  
+J30OT8  
7. 总结 1BUdl=o>S  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 y^_'g2H  
1. 仿真 S3]Cz$  
以光线追迹对单色仪核校。 YG$2ySkDhE  
2. 研究 _;",7bT80  
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。 Rq~\Yf+Pm
 
3. 应用 |^Nz/PN  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 w~@.&  
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。 $>1 'pV  
扩展阅读 p*)R

P2  
1. 扩展阅读 ]YYjXg}%  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 #k5WTcE  
[RG&1~  
 开始视频 |&+g,A _w  
- 光路图介绍 S]iM
Z \I/  
- 参数运行介绍 @54,I  
- 参数优化介绍 Bt4 X  
 其他测量系统示例： JCZ"#8M3  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) cGiS[-g  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) [vb>5EhL!