[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) `r9!zffyS  
3`DQo%<  
应用示例简述 k5'Vy8q  
w9EOC$|Y  
1.系统说明 0Qf,@^zL*  
u0
`S5?  
 光源 ?67Y-\}  
— 平面波(单色)用作参考光源 !$gR{XH$]  
— 钠灯(具有钠的双重特性)
wfLaRP  
 组件 #Lh;CSS  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 9y"@(  
 探测器 +nFu|qM}  
— 功率 ;,%fE2c  
— 视觉评估 hcsP2 0s  
 建模/设计 rlOAo`hd  
— 光线追迹：初始系统概览 +%h8r5o1  
— 几何场追迹+(GFT+)： tEvut=k'  
 窄带单色仪系统的仿真 V17%=bCZ5[  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 L>Fa^jq5  
MP Y[X[  
2.系统说明 m[~y@7AK<  
UGV+/zxIM  
8V`WO6*  
d:C'H8  
3.系统参数
kTOzSiq  
YYBDRR"  
V^bwXr4f  
u}macKJmp\  
T $>&[f$6  
4.建模/设计结果 hj*pTuym  
*&^Pj%DX  
t%/&c::(6  
BYL)nCc  
总结 ,~N/- 5  
On9A U:\  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 4DI8s4fi  
1. 仿真 k8&;lgO'  
以光线追迹对单色仪核校。 +>6iYUa  
2. 研究 P64PPbP  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 XpB_N{v9w  
3. 应用 *K8$eDNZ  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 \kL3.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。 l*Gvf_UH  
$]/{[@5  
应用示例详细内容 aFX=C>M  
系统参数 t&C1Oo}=3  
& p  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 itt3.:y  
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。 ;#W2|'HD  
5IGX5x  
C!<Ou6}!b  
t6"%3#s  
2. 系统参数 fgp]x&5Q  
l`lk-nb  
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。 RB7tmJc  
cKca;SNql1  
SaO}e  
V(I8=rVH  
3. 说明：平面波(参考) {#vgtgBB  
{L{o]Ii?g  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 {H>gtpVy  
D
N>[\hg  
Tv,[DI +  
L\J;J%fz.  
4. 说明：双线钠灯光源 iHM%iUV  
`KoV_2|  
zj{pJOM06  
 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。 AlaW=leTe  
 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)。 hD 82tr  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 e8a+2.!&\  
Mk 6(UXY  
2*& ^v  
NIry)'"  
5. 说明：抛物反射镜 Rsm^Z!sn  
&jJL"gq"  
7;(`MIFXs  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 q"lSZ; 'E  
 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。 ~,Zc%s~|  
q6luUx,@m  
D%pF;XY  
JGrWHIsNV  
$bR~+C  
p?OoC  
6. 说明：闪耀光栅 By!o3}~g  
Czu9o;xr  
H/ HMm{4  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 A|4[vz9>H  
 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 S9y}  
K;G~V\  
%J?xRv!  
@
Cyvf5|bL  
1.GQau~  
QZ  
7. Czerny-Turner 测量原理 n b?lTX~  
*i%.;Z"  
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。 D/&o&G96  
[}=B8#Jl-C  
45c$nuZ  
UB@+ck  
/W<;Z;zk  
8. 光栅衍射效率 KkbDW3-  
r`d4e,(  
\
Gvm9M  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 [RhO$c$[\  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 g}cq K  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) }&J q}j  
##>H&,Dp[  
'-~~-}= sJ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd k?^z;Tlvw  
(hbyEQhF  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 #)O65GI  
S4z;7z(8+  
yvB.&<]No  
3F2w-+L  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 %
dVZ0dl  
YNF k  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 !pX>!&sb  
on`3&0,.  
^u ~Q/4  
n/:
33DAB  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 E ~<JC"]  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 2E'UZ m  
OQJ6e:BGt  
应用示例详细内容 ukyZes8o K  
BRiE&GzrF  
仿真&结果 A3/k@S-R2  
M .mf
w#*  
1. 结果：利用光线追迹分析 vl:KF7:#m  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Ad_hKO  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 XXa|BZ1RX  
(f"4,b^]  
&Z%?!.4j@  
h2d(?vOT  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd CLRdm^B  
0@oJFJrO  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ISvpQ 3{)s  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 fNFY$:4X  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度，  }.6[qk  
g}c~:p  
 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。 .?$gpM?i  
(9dl(QSd  
H/M@t\$Dc  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms <Q3c[ Y  
ep{FpB  
3. 衍射效率的评估 _oeS Uzq.  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 sXFZWj}\  
4o[{>gW  
o66}yJzmD  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 F:S}w  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd o`-msz  
UkFC~17P  
4. 结果：衍射级次的重叠 LKDO2N  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 A.w.rVDD  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 *s3/!K  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 u>vL/nI  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) p4Z(^+Aa  
 光栅方程： cw <l{A  
qJ-/7-$ ^  
|vj/Wwr  
|2A:eI8 ^  
ZbKg~jdF  
5. 结果：光谱分辨率 ]7A'7p$Y  
\s\?l(ooq"  
?}Y]|c^W  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run &$H!@@09|w  
x]j W<A  
6. 结果：分辨钠的双波段 4_ML],.  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 TWX.D`W  
   n+M<\  
!dq.KwL  
v`T c}c '  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 <1TAw.  
&UFZS94@r  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 'V>-QD%1  
gjlx~.0d  
7. 总结 1|=A*T-<M  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 1|:KQl2q  
1. 仿真 Nz-&MS  
以光线追迹对单色仪核校。 'Pbr v  
2. 研究 
:k#HW6p  
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。 2~[juWbz  
3. 应用 +kD R.E:  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 19#\+LWA  
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。 7d\QB(~  
扩展阅读 -Lg Ei3m  
1. 扩展阅读 @2#lI  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 R.3q0yZ wF  
~}Pfu  
 开始视频 n=q76W\  
- 光路图介绍 ;9#KeA _  
- 参数运行介绍 `d(ThP;g  
- 参数优化介绍 ?V=CB,^  
 其他测量系统示例： 9- #R)4_  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) Dt1jW  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) XK vi=0B