[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) hVQ TW[  
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应用示例简述 yP:/F|E$  
F$a?} }  
1.系统说明 ppcuMcR{  
`? ayc/TK  
 光源 =X6+}YQ"  
— 平面波(单色)用作参考光源 hR;J#w  
— 钠灯(具有钠的双重特性) ['F,  
 组件 7/c[ f  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 &=SP"@D  
 探测器 <.c@l,[.z  
— 功率 SZ+<0Y|  
— 视觉评估 K*&?+_v :  
 建模/设计 "zJGYBen  
— 光线追迹：初始系统概览 [E_+fT  
— 几何场追迹+(GFT+)： H]:z:AAvX  
 窄带单色仪系统的仿真 TF %8pIg>Z  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 .;gK*`G2W)  
79J@`  
2.系统说明 "z+Z8l1.  
$#V^CmW.  
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p^_E7k<ag  
3.系统参数 mPHn &4  
6MC*2}W  
5H_%inWM  
U].u) g$  
"Fv6u]Rv  
4.建模/设计结果 kqYvd]ss  
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a$p2I+lX
 
5- Q`v/w;  
总结 A[juzOn\  
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模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 dvUBuY^[  
1. 仿真 l6.#s3I['  
以光线追迹对单色仪核校。 #UREFwSL  
2. 研究 W'{q  
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。 M,[u}Rf^w  
3. 应用 Fjc+{;x  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 :=#*[H  
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。 eK"B.q7  
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应用示例详细内容 v |/IN  
系统参数 fTi,S)F'  
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1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 YWA:741  
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。 sV7dgvVd  
SEY  
2aUz.k8o  
}I7/FqrD  
2. 系统参数 %l@Q&)f8e  
to Ei4u)m  
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。 `+b>@2D_  
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3. 说明：平面波(参考) 4ei .-  
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 采用单色平面光源用于计算和测试。 5Ah-aDBj  
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4. 说明：双线钠灯光源 S=lA^#'UdX  
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 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>R0  
 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)。 k>{i_`*  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 =ox#qg.5  
e4NT  
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5. 说明：抛物反射镜 _u}v(!PI  
@.kv",[{[  
pooi8" G  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 tBG :ECUL  
 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。 fRT:@lV  
 Xvs{2  
[p@NzS/  
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w0~iGr}P  
UA,&0.7  
6. 说明：闪耀光栅 5S7`gN.  
iyOd&|.  
'KQ]7  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 %R;cXs4r  
 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 <E@7CG.=  
P0Na<)\'Y!  
CV4V_G  
L5yxaF{]  
UF<|1;'  
4PiNQ'*  
7. Czerny-Turner 测量原理 ,@='.Qs4g  
$?Aez/  
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。 v}zo vEi  
6Epns s  
U`6QD}c"s  
Vu\|KL|  
}U'5j/EFZ  
8. 光栅衍射效率 [
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CR934TE+  
 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。 + y.IDn^  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 PR|Trnd&D  
 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) 4Bx1L+Cg  
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O5;w  
&;)~bS(   
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd `4}!+fXQ  
*`}_e)(k  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 cYR6+PKua  
";s5It  
qoZ*sV  
+1d\ZZA|6&  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 +ZRsa`'^  
{'DP/]nK  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 NYP3uGH]
  
X8Sk  
`zzX2R Je  
%-A8`lf<  
 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)。 Z$zUy|s[  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 iLmU|jdE  
1xguG7  
应用示例详细内容 eaX`S.!jR  
n[4Nu`E9  
仿真&结果 a|nlmH"l  
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1. 结果：利用光线追迹分析 ~Y'e1w$`  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 2jhVmK  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 K,IOD t  
/#:RYM'Tu  
s=%HT
fw  
Z;>~<#!4  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ,6M-xSDs  
s`#hk^{  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 t*qA.xc6  
 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)。 e-e{-pB6  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， ;*Rajq  
\
^#1~Kx  
 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。 BB%(!O4Dl  
QK?5)[ J  
mlVv3mVyR<  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms Q%eBm_r;
 
.vW~(ZuD  
3. 衍射效率的评估 "^XN"SUw  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 3LXpe8$lJ  
O"#`i{^?2  
O]Kb~jkd  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 g$ 2M|Q  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd &)X<yd0  
rmabm\QY  
4. 结果：衍射级次的重叠 i;xg[e8.  
 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。 KPR{5  
 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)。 M:I,j  
 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。 cbwzT0  
 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) $U8ap4EXM  
 光栅方程： 9~; Ju^b  
l?R_wu,Q  
aDOH3Ri0K!  
J<BdIKCma  
(Dl"s`UH~  
5. 结果：光谱分辨率 ks r5P~  
EmUxM_T/2  
TdE_\gEo/R  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run =#^dG''*"  
}2r08,m  
6. 结果：分辨钠的双波段 sN g"JQ  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 )F$Stg3e  
   [.Y=~)7FB  
'pe0Q-  
R/wSGP`W  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 V")Q4h{  
Ue8D:CM  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run z<fEJN  
Kulg84<AwM  
7. 总结 CC09:L?  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 :RQ[(zD]  
1. 仿真 #NE^f2  
以光线追迹对单色仪核校。 sy`s$Ed!  
2. 研究 BdKtpje  
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,bz0  
3. 应用 &7W6IM  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ^0&] .m  
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。 Yo(B8}?0!  
扩展阅读 \l2 s^7G_  
1. 扩展阅读 dJ!o/y6  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 >YfOR%mS4  
|pgkl`  
 开始视频 &\H5*A.HkA  
- 光路图介绍 ul%bo%&~  
- 参数运行介绍 Imwx~eo  
- 参数优化介绍 $G_<YVXcG  
 其他测量系统示例： sy?>e*-{  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) )QE_+H}p  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) q"Md)?5N