[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) NiNM{[3oS  
7G:s2432  
应用示例简述 zE336  
%r<rcY  
1.系统说明 ySk R>y  
i#&z2h-b  
 光源  H_B4  
— 平面波(单色)用作参考光源 ~De"?  
— 钠灯(具有钠的双重特性) )mI05
 
 组件 q YC;cKv  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅
Qn^'  
 探测器 Km%]1X7T6  
— 功率 $CxKuB(  
— 视觉评估 5 z~1Dw  
 建模/设计 d)"3K6s|5  
— 光线追迹：初始系统概览 2`AY~i9  
— 几何场追迹+(GFT+)： @*F"Q1 wI  
 窄带单色仪系统的仿真 8J*"%C$qe  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 Qwz}B  
HpR]q05d  
2.系统说明 ;5wn67'  
f"B3,6m  
R]Vt Y7}i,  
^aIPN5CK  
3.系统参数 n+! AnKq  
214Ml0/%  
E0BMv/r8b  
fs|)l$Rd  
_geWE0 E  
4.建模/设计结果 BmBj7  
'QG xd!4  
_G_Cj{w  
osciZ'~  
总结 9Q -HeXvR  
*aXF5S  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 > pgX^  
1. 仿真 32l3vv.j  
以光线追迹对单色仪核校。 |D'4uN8\  
2. 研究 ~aw.(A?MI  
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。 uzXCIv@  
3. 应用 oYHj~t  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 gwNq x"  
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。 TbA}BFT`  
909?_v  
应用示例详细内容 OL5v).Bb  
系统参数 gep;{G}
 
< |e,05aM  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 9K/HO!z  
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。 H!vax)%-\  
jnd[6v=C7-  
k[0-CB  
w|3z;-#Q;  
2. 系统参数 QU#w%|
  
;g8R4!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。 dCb`xR}  
TPVVck-T8  
YX%[ipgB  
g!cUF+  
3. 说明：平面波(参考) ;V@WtZv  
~a%Z;Aj  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 >O1[:%Z1  
Gb"r|(!  
Kfm5i Q  
ot@|!V  
4. 说明：双线钠灯光源 Q*~LCtrI  
-7m:91x  
"b?v?V0%C  
 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。 0?sRDYaX;c  
 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)。 J~=n
`pW  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 |}23>l7  
gHhh>FFAq  
_,q)hOI  
Y;nZ=9Sw  
5. 说明：抛物反射镜 `))\}C@k  
pa#d L!J  
^ K|;~}P  
 利用抛物面反射镜以避免球差。  Hip&8NW  
 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。 t'9*R7=  
*+'x~a  
~+bv6qxg]\  
Xm+8  
-r#X~2tPzD  
;_8#f%Y#R  
6. 说明：闪耀光栅 P
-`M  
ur*T%b9&  
m7&O9?X  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 U ?'vXa  
 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 A3vUPWdDk  
|M8WyW  
d\%WgH  
'jmTXWq*  
3
VuW#m#j  
xAafm<L@!  
7. Czerny-Turner 测量原理 Wf>zDW^"R  
";BlIovT=R  
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。 p7);uF^O%  
c;{Q,"9U  
RE}?5XHb  
,\X@~j  
3VI4X  
8. 光栅衍射效率 >:zK?(qu,N  
SaC d0. h  
ex+\nD>t4  
 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。 Bt1p'g(V|  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 #BJG9DFP4`  
 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) bgS${n/  
\(VTt|}By$  
0OT\"O~S[  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 4VHqBQ4  
<WjF*x p  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 hj  
o[v\|Q`d  
$KUos+%  
ONx(]  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 v.Q(v\KV5  
N-jTc?mT~&  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 !iH-#B-
 
!l|5z G  
O$D'.t  
5~Cakd]>  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 jx.[#6e  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 a
\IP12F?  
90|7ArM_[  
应用示例详细内容 NM]s8c
K_  
<EPj$::  
仿真&结果 wj[\B*$?  
NB\{'  
1. 结果：利用光线追迹分析 CNQC^d\ h  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 fGw^:
,B  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 &LF` W  
+j(d| L\  
6el;Erp  
[cTe54n  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ymegr(9&K  
Dq36p${\W  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 %{(x3\ *&  
 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)。 Zq,9&y~  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， K`/`|1  
'eo KZX+  
 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。 $U$V?xuE  
VR+<v  
Z|_K6v/c  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms qOSg!aft{Q  
@g2
cC  
3. 衍射效率的评估 !(n4|Wd  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 5Xl/L  
{K4+6p  
}tH[[4t
w,  
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。 ZDD..j  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd  vj51 g@  
J4"mK1N(  
4. 结果：衍射级次的重叠 JC
}f-%H?K  
 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。 ^qg?6S4  
 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)。 1"pI^Ddt  
 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。 s[K^9wz  
 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) Aub]IO~  
 光栅方程： [/ !;_b\X  
<+^6}8-  
"p/j; 6H  
2$14q$eb  
#l4)HV  
5. 结果：光谱分辨率 #'-Sh7ycW  
yb
eKiv9  
Q\GDrdA  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 2u"7T_"2D  
_(d.!qGz  
6. 结果：分辨钠的双波段 ~_9n.C  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ly4s"4v  
   #Hvq/7a2R  
)mJf|W!Z#  
"+z?x~rk  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 kM'"4[,nz  
zF@o2<cD@  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run mCs#.%dU  
V~T@6S  
7. 总结 WpS1a440  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 SFb{o<0 =  
1. 仿真 ;>%~9j1C  
以光线追迹对单色仪核校。 Bd^"=+c4  
2. 研究 'S<%Xm  
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。 '=E3[0W  
3. 应用 K*IxUz(  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 [L6w1b,  
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。 ~ ^>417>  
扩展阅读 F$Ca;cP"  
1. 扩展阅读 F,GN[f-  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 `:wvh(  
R7s|`\  
 开始视频 ESg+n(
R  
- 光路图介绍 [xfaj'j=@  
- 参数运行介绍 R#n%cXc|  
- 参数优化介绍 B_ja&) !s1  
 其他测量系统示例： Uu"0rUzt  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) M wab!Ya  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) .lBgp=!