[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) h^P>pI~  
Rg&6J#h  
应用示例简述 !MB%  
jlER_I]  
1.系统说明 I~S`'()J  
`n:IXD5'  
 光源 n@BE*I<"  
— 平面波(单色)用作参考光源 J+&AtGq]u  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 1!\!3xaV  
 组件 ]Bs ?  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 IxCEE5+`%  
 探测器 2 c'=^0:  
— 功率 8Es]WR5 ^  
— 视觉评估 .jr1<LE  
 建模/设计 ]t1)8v2w>  
— 光线追迹：初始系统概览 VzpPopD,QW  
— 几何场追迹+(GFT+)： 44?5]C7  
 窄带单色仪系统的仿真 -p ) l63  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 hC]c =$=7  
;FZ\PxN  
2.系统说明 t2OXm  
c ~YD|l  
VR_+/,~  
]Nt97eD
)  
3.系统参数 p>K'6lCa  
T|ZZkNP|6  
2I?HBz1v  
Jkm\{;  
Ffj:xZ9rk  
4.建模/设计结果 >Fx$Rty  
,l; &Tb=k  
r.i.w0B(  
bHS2;K~  
总结 o,\%c"mC  
tx
5_e[  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 IH~H6US  
1. 仿真 h%=b"x  
以光线追迹对单色仪核校。 (= !_5l  
2. 研究 hD>:WJ  
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。 a _  
3. 应用 :
-"J)^V  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 'hya#rC&(  
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。 )7j"OE  
f6|3| +  
应用示例详细内容 m]"YR_  
系统参数 LG<lZ9+y  
hq,;H40%/  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 er#we=h  
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。 !zJ.rYZ=g`  
=]zPUzr,|  
:X4\4B*~  
4l$8lYi  
2. 系统参数 CIaabn  
aS
F&^/j  
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。 YD
+C1*c!  
&pba~X.u  
~o2{Wn["  
ffB]4  
3. 说明：平面波(参考) ?Jr<gn^D  
`q@~78`  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 -[`W m7en  
}>1E,3A:%G  
MnS"M[y3  
<n:?WP~U  
4. 说明：双线钠灯光源 (\I =v".  
5 O6MI4:  
>lj3MNSH  
 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。 W&Hf}q
s  
 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)。 s6]f#s5o  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 \mDm*UuG  
oaK~:'  
`^}9= Q'r  
<@=NDUI3*,  
5. 说明：抛物反射镜 *o#`lH  
aF=VJ+5  
{h=Ai[|l4Q  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 :Rn9rdX  
 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。 ?`XKaD! f  
: L>d]Hn  
f1{ckHAY55  
?.s*)n  
L}mhMxOTi  
HHYcFoJwYN  
6. 说明：闪耀光栅 88K*d8m  
9T1G/0k-  
iI1t P  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 V_pBM  
 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 |3LMVN  
On^#x]  
Xwi&uyvU&  
UQ)}i7v  

\abl|;fj  
?q P}=nJ  
7. Czerny-Turner 测量原理 =-qsz^^a-  
FScQS.qF  
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。 1%,Z&@^j  
Tt\w^Gv\d  
Q\76jD`m\  
hgK=fHJk  
Ie"R,,c   
8. 光栅衍射效率 6{'6_4;Fv(  
/Hmo!"W`  
+b+sQ<w?.  
 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。 C)
j)j&  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 }H=OVbQor  
 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) 9f\8oJQ  
TpgBS4q  
ydQ
S"]\g  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd p0K;m%  
m+vEs,W.  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 h86={@Le  
b U NYTF{  
Q8?D}h  
W#j,{&KVn  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 +`8)U3u0  
>nQyF  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 mx~sxYa  
k5D'RD  
]'(7T#  
I?>T"nV +'  
 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)。 Tm\[q  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 p8l#=]\;  
8n5nHne  
应用示例详细内容 C`wI6!  
D}sGBsOW  
仿真&结果 _eV n#!|  
)1Nnn  
1. 结果：利用光线追迹分析 cg00t+  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 p^P y,  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 5Q`n6x|  
?(yFwR,(  
|+-i'N9  
D'cY7P  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 4iqmi<[("  
b6&NzUt34V  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 {yMA7W7]  
 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)。 :)95 b fa.  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 3^>a TU<Z  
/v4S@SQ+  
 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。 2F@)nh  
*Ne&SXg  
8? Wxd65)  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms  ii  y3  
(M,VwwN  
3. 衍射效率的评估 {$YD-bqY  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 1xAFu+
  
3n(gfQo-o  
Xj~EVD  
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。 P 4*MV  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd V9u\;5oL  
f&|A[i>g  
4. 结果：衍射级次的重叠 /I'u/{KB  
 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。 -MU.Hu  
 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)。 6F.7Ws<  
 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。 <3=qLm
 
 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) &v5.;8u+OV  
 光栅方程： "%''k~UD4  
W^.-C  
e ]o'i;I  
|( 9#vt#  
E8_Le  
5. 结果：光谱分辨率 gT&'i(c  
HJaw\zbL  
`k]!6osZ
o  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run |
W*@}D  
|F@xwfgb  
6. 结果：分辨钠的双波段 <o!&Kk9  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 UlNfI}#X  
   M'zS7=F!:  
^qGA!_  
|4S?>e  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 hMeqs+  
Fiu!!M6  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run Zxc7nLKF~  
)R8%'X;U  
7. 总结 +6hl@Fm(  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 \DU^idp#  
1. 仿真 Afy .3T @)  
以光线追迹对单色仪核校。 
0GX10*t.  
2. 研究 .6ngo0<g  
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。 !3I(4?G,  
3. 应用 4[#6<Ixf  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 =vr Y{5!>  
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。 6UW:l|}4#2  
扩展阅读 9#&W!f*qO|  
1. 扩展阅读 jc&/}o$K  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 +an^e'  
%U5P}  
 开始视频 ?QMclzh*-  
- 光路图介绍 E {KS a  
- 参数运行介绍 g+}s:9  
- 参数优化介绍 &{E`=4T2  
 其他测量系统示例： n{^<&GWox  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) |O(-CDQe  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) O}MZ-/z=o~