[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) X
HA|v^  
byI" ?  
应用示例简述 !/,oQoG  

L"jA#ULg  
1.系统说明 -Mr_Ao`E  
Mst%]@TG  
 光源 ?q`i MiN  
— 平面波(单色)用作参考光源 V< F&\  
— 钠灯(具有钠的双重特性) K3mP6Z#2  
 组件 N)mZ!K44  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 b"$?(Y  
 探测器 H@-q NjM  
— 功率 JLm3qIC  
— 视觉评估 Sqi9'-%m  
 建模/设计 t0f7dU3e;L  
— 光线追迹：初始系统概览 :WRD<D_4  
— 几何场追迹+(GFT+)： &S(>L[)9  
 窄带单色仪系统的仿真 ,Mw93Kp Va  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 VKPEoy8H  
9<3( QR  
2.系统说明 [.>=>KJ_  
>8/Otg+h  
5:r AWq  

U LS>v  
3.系统参数 {-I+  
<6;M\:Y*T  
C]Fw*t   
{*;8`+R&  
Y[e.1\d'  
4.建模/设计结果 &/[MWQ  
N?m)u,6-l  
z#!<[**&  
]0'cdC  
总结 te[uAJ1 N  
ga|<S@u?}  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 J,,VKA&  
1. 仿真 q+[ )i6!?  
以光线追迹对单色仪核校。 X[
Iy6qt  
2. 研究 s YTJ^Kd  
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。 KK 7}q<&i  
3. 应用 @MibKj>o  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 D,=~7/g  
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。 z(c8]Wu#  
lrc%GU):  
应用示例详细内容
7Wef[N\x  
系统参数 &FmTT8"l  
wxBHlgK4z  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 lO\HchGzB  
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。 PW@ :fM:q  
l'm|**  
,W+=N"`a'  
J8\l'}?&  
2. 系统参数 U{
dK8~  
xppnBnu$7  
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。 LS*L XC  

I wj[ ^  
M>=@Z*u/+  
*[cCY!+Qy  
3. 说明：平面波(参考) :C^{L
c  
?IeBo8  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 fwUvFK1G  
'9]?jkl  
UQkd$w<  
/*gs]  
4. 说明：双线钠灯光源 3VU4E|s>  
%_n%-Qn  
dSjO12b  
 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。  cL .z{  
 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)。 <- sr&  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 e\(X:T  
B{0]v-w  
0X99D2c  
[pms>TQ2  
5. 说明：抛物反射镜 ^%%Rf  
M&=SvM.f  
WyV,(~y  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 msw'n  
 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。 ;R&W#Q7>3  
:icpPv  
uN?Lz1W\;  
Xqe Qj}2kA  
S7j(4@  
i+QVs_jW  
6. 说明：闪耀光栅 C<C^7-5  
wGMoh.GTh  
CUdpT$$x3  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 8MW-JZ  
 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 {88|J'*L  
3qGz(6w6E  
=KO]w9+\  
(Of`VT3ZOA  
B]hRYU  
m{>"  
7. Czerny-Turner 测量原理 x]Nx,tt  
g_PP9S_?  
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。
.mwW`D  
yL<u>S0  
|j/Y#.k;{0  
%q r,Ssa/  
6f0o'  
8. 光栅衍射效率 H
t43G_.j  
rpEIDhHv  
{c I~Nf?i  
 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。 0 GFho$f  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 RwK6u-u#9  
 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) ,;MUXCC'  
t~}c"|<t  
qoT&N,/  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd f"\klfrRI_  
Qru&lAYc<  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 EBWM8~Nm#  
(!m6>m2  
c#
u_%*  
=>o !  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 3GL?&(eU;  
t

pzh  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 %c$|.TkX  
OP=oSfa  
V"gKk$j7  
$M,Q"QL  
 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)。 .`u8(S+  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 q|klsup  
L|D9+u L  
应用示例详细内容 F;/^5T3wI  
Nv0a]Am  
仿真&结果 6]GHC
yo  
$\k)Y(&  
1. 结果：利用光线追迹分析 L>Ze*dt  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 *Vb#@O!  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 B
`nI]_
  
7F2:'3SQ  
lpB:lRM  
A#Ga!a  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd C\Ob!sv%H  
@az<D7j2  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 3,!IV"_  
 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)。 Y[VXx8"p  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 8Bc2?NI=   
<)_#6)z:  
 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。 <%|u1cn~!v  
@qWClr{`  
FKe/xz  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms >#;_Ebl@  
mICx9oz]  
3. 衍射效率的评估 G^;]]Ji"  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 &{#6Z  
Jp8,s%  
cN2Pl%7  
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。 GVf[H2%H  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 
:vS/Lzk  
]A+t@/k  
4. 结果：衍射级次的重叠 lA6{TH.x  
 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。 vy7?]}MvV  
 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)。 Xrc{wDn  
 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。 bz,"TG[  
 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) ZOppec1D  
 光栅方程： :YLYCVi|  
*.A-UoHa  
 YOfYa  
z)eNM}cF  
<)J@7@!P  
5. 结果：光谱分辨率 -EU=R_yg  
uVX,[%*P  
VsL*&Fk  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run \|4F?Y  
ignOF  
6. 结果：分辨钠的双波段 3UQBIrQ  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ljg6uz1v%  
   <h~uGBS"  
#!m^EqF1_  
iHdX  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 :a=]<_*x  
3EA_-?  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run V6Of(;r  
<8h3)$  
7. 总结 QY\'Uu{  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ;s4e8![o3  
1. 仿真 hO$29_^"  
以光线追迹对单色仪核校。 6@d/k.3p  
2. 研究 hA
`9[58/  
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。 &u) qw}  
3. 应用 jC-`u-_'j  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 SM<qb0
 
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。 r$LU$F  
扩展阅读 mkgL/h*  
1. 扩展阅读 -O@/S9]S)  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 '1G0YfG}n  
~jWpD7px  
 开始视频 mndEB!b  
- 光路图介绍 JvJ)}d$,&  
- 参数运行介绍 Ghe@m6|D  
- 参数优化介绍 rdX;  
 其他测量系统示例： :19s=0  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) #m'+1 s L  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) "/hLZl