Czerny-Turner单色仪&光谱仪的仿真

讯技光电科技

测量系统(MSY.0003 v1.1)

应用示例简述

1.系统说明

 光源
— 平面波(单色)用作参考光源
— 钠灯(具有钠的双重特性)
 组件
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅
 探测器
— 功率
— 视觉评估
 建模/设计
— 光线追迹：初始系统概览
— 几何场追迹+(GFT+)：
 窄带单色仪系统的仿真
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析

2.系统说明



3.系统参数




4.建模/设计结果



总结

模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。
1. 仿真
以光线追迹对单色仪核校。
2. 研究
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。
3. 应用
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性
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。

应用示例详细内容
系统参数

1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪
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。



2. 系统参数

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。



3. 说明：平面波(参考)

 采用单色平面光源用于计算和测试。



4. 说明：双线钠灯光源

 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。
 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)。
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。




5. 说明：抛物反射镜

 利用抛物面反射镜以避免球差。
 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。






6. 说明：闪耀光栅

 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。
 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






7. Czerny-Turner 测量原理

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。




8. 光栅衍射效率

 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。
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。
 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)



file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd

9. Czerny-Turner系统的光路图设置



 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。

10. Czerny-Turner 系统的3D视图



 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)。
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。

应用示例详细内容

仿真&结果

1. 结果：利用光线追迹分析
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。



file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd

2. 结果：通过虚拟屏的扫描
 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)。
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度，

 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。


animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms

3. 衍射效率的评估
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。


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。
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd

4. 结果：衍射级次的重叠
 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。
 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)。
 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。
 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)
 光栅方程：




5. 结果：光谱分辨率


file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run

6. 结果：分辨钠的双波段
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。
  


设置的光谱仪可以分辨双波长。

file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run

7. 总结
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。
1. 仿真
以光线追迹对单色仪核校。
2. 研究
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。
3. 应用
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性
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。
扩展阅读
1. 扩展阅读
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。

 开始视频
- 光路图介绍
- 参数运行介绍
- 参数优化介绍
 其他测量系统示例：
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001)
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002)