[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) 9tCF m.m  
0qN+W&H  
应用示例简述 In#m~nE[M  
4zqO!nk  
1.系统说明 [R/'hH5  
d{]2Q9g  
 光源 :8lqo%5  
— 平面波(单色)用作参考光源 (.g?|c  
— 钠灯(具有钠的双重特性) lfLLk?g3k  
 组件 (;++a9GK  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 fZxEE~Q1  
 探测器 (:7Z-V2(  
— 功率 HQ/ Q"  
— 视觉评估 7x(z  
 建模/设计 b5^-qc6X  
— 光线追迹：初始系统概览 s{0c.
M  
— 几何场追迹+(GFT+)： Pbakw81!~  
 窄带单色仪系统的仿真 )Tf,G[z&ge  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 _%PEv{H0.  
[nB4s+NX  
2.系统说明 0NyM|  
zj#8@gbh+  
7JLjA\k
  
">Y(0^^  
3.系统参数 VP"C|j^I  
S&Sa~Oq<o  
EN@<z;  
j\uPOn8k  
g6;a2  
4.建模/设计结果 XWf1c ~J  
A04E <nr  
lXu6=r  
l9F]Lw  
总结 [R{%r^"2p  
|@pn=wW  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 p-2PC{% t|  
1. 仿真 N7dI}ju  
以光线追迹对单色仪核校。 !u=A9i!  
2. 研究 ?w>-ya  
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。 Hni?r!8r  
3. 应用 q,.@<sW
 
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 (L!#2Jy  
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。 x^6b$>1  
kD_616  
应用示例详细内容 7\EY&KI"0  
系统参数
<PpW.1w  
~_|ZUb  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 jmn<gJ2Of  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 A=\:b^\  
ZKoISuM  
T9-2"M=|<  
+o}mV.&1,  
2. 系统参数 78FLy7  
IF<<6.tz  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 5<h:kZ"S^g  
h)sQ3B.}A  
 [?moS!  
+y9WJ   
3. 说明：平面波(参考) {M P(*N  
e c4vX  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ?m:,hI  
#0 eop>O  
+YCKd3/  
.%x%(olf  
4. 说明：双线钠灯光源 NrWgaPO)i  
"4/J4'-  
m 9.BU2.  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 K7}]pk,AG  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 'XW9+jj)/  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 gEkH5|*Y  
9<-7AN}Z  
+L|-W9"@3  
3 cF4xUIZ  
5. 说明：抛物反射镜 \'-E[xNcWI  
d9.~W5^fC  
4ZrRgx2MD  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 2HF_kYZ  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 tQmuok4"d  
@XN|R  
)^LiALh  
@$!rgLyL[  
/=S\v<z  
3u~V&jl  
6. 说明：闪耀光栅 3&KRG}5  
#Mrc!pT]xy  
-5d^n\CDK  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 &^(4yw(~  
 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 %>!$eCX  
4-JyK%m,0  
@"O|[%7e  
K%WG[p\Eu  
VrnZrQj<  
agp7zw=N  
7. Czerny-Turner 测量原理 #(G"ya  
V&Q_iE  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 2OsS+6,[x  
y4j\y ? T8  
ms`U,  
'))K' u  
ZXC_kmBN/  
8. 光栅衍射效率 D&!c7_^  
wL~-k  
!YENJJ  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 w,eW?b  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 0rCQz3gh1  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) >Q[3t79^  
.njk^,N  
8M8Odz\3 q  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd lkJ"f{4f  
v?(z4oOD/>  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 yz^
4TqJ  
kV@?Oj.&I,  
XWag+K  
V2>+s y  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 U%rq(`;  
Fuy"JmeR  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 =[nuesP'  
c;.jo?RR2  
m"GgaH3,  
r2T$ ;m.  
 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)。 AwWo,Y399h  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 ,Rdw]O  
: 22)` ;0  
应用示例详细内容 u{LtyDnik  
rr]-$]Q  
仿真&结果 U88gJ[$  
aW_Pv~  
1. 结果：利用光线追迹分析 !nL>Ly  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 pch8A0JAl)  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 ;L[N.ZY!  
`wKd##v'@  
)>,ndKT~  
H @5dj}  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd VWrb`p@  
W#kd[Wi  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 HsKq/Oyk  
 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)。 5Zn:$?7  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 5O[\gd-  
&[P(}??Y\  
 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。 ujS
 C  
B["jndyr  
fLZ mQO  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 17#t7Yk  
zE+^WeH|  
3. 衍射效率的评估 h?p!uQ  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 !GnwE  
@6b4
YV h  
jEn9T  
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。 W:hTRq  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd lJdrrR)wg  
Q7-'5s  
4. 结果：衍射级次的重叠 $kccM&B  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 T&'LQZM8  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 '&/~Sh$%  
 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。 <Vl`EfA(  
 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) cCs@[D#O1  
 光栅方程： P"+R:O\!g  
o:`^1  
pgPm0+N  
{t|Q9
&  
ce:wF#Qs
 
5. 结果：光谱分辨率 .rQcg.8/B  
;gLOd5*0  
v%7Gh-P  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run M[cAfu  
1dOB|  
6. 结果：分辨钠的双波段 `jec|i@oO  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 .|@2Uf  
   @H}{?-XyA  
p-*{x  
6Ev+!!znu  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 m -0}Pe9L  
NfZC}  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run ?}HZJ@:lB  
`
aSbGMz  
7. 总结 4U3 `g  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 LI>Bl  
1. 仿真 ^UBzX;|p  
以光线追迹对单色仪核校。 EAHdt=8W{  
2. 研究 ,(f({l[J}  
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。 ' pIC~  
3. 应用 .  LeS-  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ? M.'YB2  
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-fm)1S_  
扩展阅读 qp{~OW3  
1. 扩展阅读 S<z8  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 eQ,VK`7X  
oJ|m/i)  
 开始视频 WR_B:%W.  
- 光路图介绍 _&[-< cu  
- 参数运行介绍 1Se2@WR'  
- 参数优化介绍
3Xy~ap>Y  
 其他测量系统示例： u Yc}eMb  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ZCA= n  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ng9_c