[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) O/$41mK+!  
IP-M)_I
  
应用示例简述 68w~I7D>  
Vq/hk
  
1.系统说明 9~2iA,xs  
1(*+_TvZ  
 光源 [Jjo H1E@  
— 平面波(单色)用作参考光源 pHye8v4fvi  
— 钠灯(具有钠的双重特性) tUW^dGo.  
 组件 nv7)X2jja  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 m6H+4@Z-;(  
 探测器 :8
hXkQ  
— 功率 ux*G*QZ  
— 视觉评估 ;
Xqi;EA  
 建模/设计 Snn4RB<(  
— 光线追迹：初始系统概览 k2_y84;D  
— 几何场追迹+(GFT+)： 3q@H8%jcw  
 窄带单色仪系统的仿真 q4'
`qe  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 :;hm^m]Y  
%&lwp  
2.系统说明 (&V)D?/hS  
.QA1'_9  
O<mA+yk  
Eh|6{LDn!  
3.系统参数 jeO`45O  
O*N:.|dUw  
D8xE"6T>  
F x$W3FIO]  
aI}htb{m`  
4.建模/设计结果 M1k_ldP  
C43I(.2g  
7Up-a^k^`  
\f VX<L  
总结 !Htl e %  
9x(t"VPuS  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 x>Dix1b:.  
1. 仿真 &uV|Ie8@q  
以光线追迹对单色仪核校。 o4j!:CI  
2. 研究 \l# H#~  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 [Z;H=`  
3. 应用 3RD+;^}q3  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Nr"GxezU+A  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 (y\.uPu!  
)(1tDQ`L>  
应用示例详细内容 t:,lz8Y~  
系统参数 7s{['t  
kFT*So`'  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 VG$%Vs  
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。 P.=Dd"La  
?VTP|Z  
AT2D+Hi=E  
LJ9#!r@H  
2. 系统参数 &Ot9"Aq:  
?i!d00X  
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。 ]/%CTD(O  
OU^I/TU  
An,TunX  
DGz}d,ie  
3. 说明：平面波(参考) Lm0q/d2|\X  
46|LIc }  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 goD#2
lg  
$%ztP Ta  
B
HNJH  
QYAt)Ik9q  
4. 说明：双线钠灯光源 gy#G;9p  
1pN8,[hyR7  
G!Y7RjWD  
 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。 D6\k}4n-  
 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)。 ?8<R)hJa<  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 uhwCC  
tqKX\N=5^  
nA=E|$1  
bZ+Hu~  
5. 说明：抛物反射镜 jq|fIP  
uw`J5TND  
 %Rm
`YH?  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 :&RpB^]  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 UVsF !0  
=jU#0FAO  
"9y0]~  
-9s&OKo`({  
3YEw7GIO-  
T\7t#Z k  
6. 说明：闪耀光栅 9~l8Qa
K  
h<!!r  
,pdf$) XB  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 -t125)6I  
 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 RTL@WI  
HLq2avs\  
S9qc34\^=  
`2HNQiK'@  
H1vToIP%  
>kDkvg1"  
7. Czerny-Turner 测量原理 bHzH0v]:  
r+h$]OJ  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 5&134!hC  
1f2*S$[*L  
QGXR<Y  
V?jot<|$  
#[~f6s9D  
8. 光栅衍射效率 ;\Pq  
]Lm?3$u$  
3rx8"  
 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。 TF@k{_f  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 v%E!
  
 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) h$$i@IO0  
mnq1WU;<  
n55s7wzM  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd Q\2~^w1
V  
D<bHRtP  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 QU)A
gF[
 
[-3x*?Ju  
Ve[&_(fP  
XhJYsq]]J  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 V_=7q=9mV  
f;,^ ]mw  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 2nB{oF-Z  
6"GHVFB  
aByd,uSe)_  
}h9f(ZyJn  
 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)。 5R*55@)  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 " VSma  
~J|B  
应用示例详细内容 *<ww~^a  
-Dr)+Y  
仿真&结果 'oZdMl&  
dpB\=  
1. 结果：利用光线追迹分析  dm{/  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Y:]m~-T  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 z_t%n<OvK  
`it  
p-2PC{% t|  
!<4=@  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd E:$r" oS  
l1
"*  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 b|u0a6  
 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)。 @-aMj  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， $6*6%T5}  
/"7_75 t  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 !mu1e=bY>  
w72\'  
^:^8M4:  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms )L$)qfQ~x  
^7V{nT@H3  
3. 衍射效率的评估 ^<+V[=X  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 &u9@FFBT8  
_K<Z  
h0zv@,u  
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。 Tu}?Q.pKo  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd yMKVF`D*  
vQ1#Zgy  
4. 结果：衍射级次的重叠 sx@%3j  
 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。 rHD_sC*  
 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)。 '\/|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。 {M P(*N  
 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) 71OQ?fc  
 光栅方程： ~zL DLr=  
G q2@37
U  
vALH!Kh  
1t< nm)  
8\$u/(DX  
5. 结果：光谱分辨率 !ZzDSQ;  
ko`.nSZ-k  
mD go@f  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run :a'[4w  
=~ [RG  
6. 结果：分辨钠的双波段 +L|-W9"@3  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 3 cF4xUIZ  
   \'-E[xNcWI  
d9.~W5^fC  
!6l}s$1i|  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 X.J$ 5b  
th`pf   
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run aW;DfH  
d3tr9B  
7. 总结 4LkW`Sbm  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ^/DP%^D  
1. 仿真 y.Y;<UGu  
以光线追迹对单色仪核校。 G)3Q|Vc  
2. 研究 yp"h$  
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。 }^zsN`  
3. 应用 8>a%L?BY  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 R 9b0D>Lxt  
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。 W9/HM!  
扩展阅读
(KnU-E]L  
1. 扩展阅读 r Zg(%6@  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 X}_Gk5q*  
l$g \t]  
 开始视频  -wQ@z6R  
- 光路图介绍 {Xv0=P  
- 参数运行介绍 'QC'*Hl  
- 参数优化介绍 ms`U,  
 其他测量系统示例： 9oTtH7%  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) k8E{pc6;  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) f yhBfA:u