[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) nDkyo>t.  
zW!3>(L/  
应用示例简述 <3LyNG.  
tcwE.>5O  
1.系统说明 fR~_5pt7  
{uL<$;#i  
 光源 6;l{9cRgc  
— 平面波(单色)用作参考光源 <o3e0JCq  
— 钠灯(具有钠的双重特性) ]N:SB  
 组件 ?2 u_E "  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 ?M;2H{KG:  
 探测器 AVOzx00U  
— 功率 f%an<>j^w  
— 视觉评估 bkceR>h%  
 建模/设计 8,a&i:C  
— 光线追迹：初始系统概览 9 @!Og(l  
— 几何场追迹+(GFT+)： M9_ y>N[0  
 窄带单色仪系统的仿真 ,1Suq\ L  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ZQD_w#0j  
5:hajXd  
2.系统说明 G+=euK2]  
]~U4;  
Ss@\'K3e  
IwZn%>1N  
3.系统参数 ^IjKT  
o`+6E q0w  
d?oupW}uu  
I
.p26  
z~L4BY@z  
4.建模/设计结果 TF}<,aR  
2wlrei  
d8C?m*3J  
YKJk)%;+w  
总结 T@U_;v|rf  
2_x}wB0P  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 e=o<yf9>Q  
1. 仿真 E&Pv:h,pV&  
以光线追迹对单色仪核校。 A@Z&ZBDg  
2. 研究 ua/A &XQx  
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。 N0O8to}V  
3. 应用 B0?E$8a  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 `4'v)!?  
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。 _UT>,c;h  
7 }4T)k(a  
应用示例详细内容 pD9*WKEf*  
系统参数 <T)9mJYr  
RgHPYf{  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 |qH-^b.F  
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。 '\(Us^Ug  
y"#o9"&>&  
lE78Yl]  
2o] V q  
2. 系统参数 )-xx$0mL-  
}N]|zCEj  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 k:Da+w_'1  
y1p^ &9U  
T\:Vu{|  
j5Vyo>  
3. 说明：平面波(参考) VE+Q Y9(  
J/>Y mi,  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 {CG%$rh  
F-R4S^eV  
G%Hr c  
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4. 说明：双线钠灯光源 .}&bE1  
3V?JX5X\  
3BAls+<p o  
 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。 y))d[1E  
 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)。 oTS*k: C'  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 TppR \[4]  
 )o`|t  
NTASrh  
g,h'K  
5. 说明：抛物反射镜 )s5Q4m!  
"-C.gqoB  
bX6eNk-L  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 MWTzJGRT  
 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。 1(t{)Z<  
vncLB&@7  
Q
{-T;T  
8 :B(}Y4K  
&v9*D`7L  
uvC ![j^~  
6. 说明：闪耀光栅 kEiWE|  
_]zm02|  
6/
e+=W2  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 ;U$Fz~rJ  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 3"afrA  
U0>Uqk",  
}\Kki  
o+Cd\D69S  
Q#!|h:K  
:+Ti^FF`w  
7. Czerny-Turner 测量原理 <g9@iUOI  
[C_Dv-d  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 t$+[(}@+  
4'EC(NR7N  
%z1y3I|`[t  
,F^Rz.  
cl3@+v1  
8. 光栅衍射效率 mtfEK3?2*  
]1YyP  
Qn0 1ig  
 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。 Sy\ec{$+V]  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 >Vp#  
 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) DVC<P}/  
BuwJR Ql.  
Qmbl_
#  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd P:Nj;Cxh  
U42B(ow  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 W[ZW=c  
Km/#\$|}  
d^-sxl3}  
x,LQA0  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 H!6nIS9yxt  
$/Rr|<  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 7l+>WB_]  
Fh[Gq  
ZV,1IaO  
(zv)cw%  
 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)。 CEOD$nYc  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 y*6-
?@  
b Ag>;e(  
应用示例详细内容 dJ/(u&N  
(}^Qo^Vr  
仿真&结果 H<YhO&D*u  
~:PuKx  
1. 结果：利用光线追迹分析 y&F0IJ|`@M  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ;Nfd  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 vJ`'x  
A]x'!qa@=  
!/]vt?v#^  
RCCI}ovU  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd cwK+{*ZH/
 
=A yDVWpE  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 *d%U]Hby,  
 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)。 ZA;VA=)\8  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， c+_F}2)  
97XGJ1HI  
 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。 zLeId83>  
vbn'CY]QU  
qYi<GI*|@  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ,sn/FT^; q  
B^{87YR  
3. 衍射效率的评估 M?yWFqFt9m  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 W5#5RK"uX  
`%a+LU2  
Td6Gu"  
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。 v<2B^(i}VB  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ,:G3Y )  
]n/fB|tE  
4. 结果：衍射级次的重叠 ,pc\ )HR  
 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。 Vv]81y15Q;  
 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)。 #!h +K"wX  
 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。 hhZUE]  
 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) $AI0&#NM  
 光栅方程： *,Mg  
^KK9T5H  
W@:a3RJ  
G0u3*.  
*`(/wE2v]  
5. 结果：光谱分辨率 0xNlO9b/  
C6"bGA  
XIrNT:h4  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run I{V1Le4?  
UdS
u:V|  
6. 结果：分辨钠的双波段 SdI/  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 cv'Fc  
   &dC #nw  
X?F$jX|c  
j5cc"s  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 N,><,7!q$,  
5xEk 7g.  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 4]\t6,Cz8  
rI[
Lg0S  
7. 总结 `Al[gG?/!  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 0H V-e  
1. 仿真 /&+6nOP  
以光线追迹对单色仪核校。 rLzYkZ  
2. 研究 u D.E>.B  
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。 ? }k~>. \  
3. 应用 M?UlC   
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ]/d4o  
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。 $LPu_FJ  
扩展阅读 E"[^^<I  
1. 扩展阅读 3x9O(;k  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 zn |=Q$81  
\E'Nk$V3  
 开始视频 n.m6n*sf7  
- 光路图介绍 u%#s_R  
- 参数运行介绍 {,5=U@J  
- 参数优化介绍 UeRx ^  
 其他测量系统示例： Y=gj{]4  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) Yg;g!~
  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 1m/=MET]