[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) 3h-C&C  
w`")^KXi  
应用示例简述 ,xeJf6es  
.0b$mSV[  
1.系统说明 ,XJ Xw(LM  
wNX2*   
 光源 Pf
Re)JuB  
— 平面波(单色)用作参考光源 RZ#~^5DiO  
— 钠灯(具有钠的双重特性) '4""Gz  
 组件 KiDL]2  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 (` N@4w=  
 探测器 L93&.d@m9  
— 功率 L&WhX3$u  
— 视觉评估  XAb!hc   
 建模/设计 ca},tov&  
— 光线追迹：初始系统概览 )ZcwG(o0  
— 几何场追迹+(GFT+)： dfss_}R  
 窄带单色仪系统的仿真 W".: 1ov#B  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 .(7end<  
?Thh7#7LM  
2.系统说明 CE'd`_;HLn  
+l "z  
sr+Y"R  
{|;5P.,l  
3.系统参数 9 ^G.]W]  
Y30e7d* qr  
?Z]5 [  
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i${[1  
tocZO  
4.建模/设计结果 hd@ >p.  
1m52vQSo3l  
Y2
)2 tzr]  
{Gd<+tQg  
总结 _.ny<r:g  
=%}++7#  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ]~!jf  
1. 仿真 *Z+8L*k97  
以光线追迹对单色仪核校。 l Wa4X#
~.  
2. 研究 23F<f+2S  
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。 vUX(h.}8  
3. 应用 ? ^EB"{  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 &K1\"  
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。 .fQ/a`As
U  
&g{b5x{iD  
应用示例详细内容 -t<8)9q(  
系统参数 zPC&p{S>  
S-M| 6fv  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 z2Pnni7Ys  
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。 $[p<}o/6v]  
&s +DK`  
M7\; Y  
~F</s.  
2. 系统参数 `Y
ZK$ -,  
Eagl
7'x  
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。 Ux<2
!vh  
_o 2pyV&  
\Kx@?,  
9WJS.\G^  
3. 说明：平面波(参考) t3~ZGOn  
O[N}@%HMW  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 $*%ipD}f  
M!{;:m28X!  
}\9elVt'2  
1YGj^7V)|Z  
4. 说明：双线钠灯光源 j2UiZLuV  
8IAf9  
R3HfE*;Z  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 ^`W8>czi  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 +w(sDH~kd  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 bJ[{[|yEd  
OZ/P@`kN.f  
FD}hw9VyF@  
4`x.d  
5. 说明：抛物反射镜 KxEy N(n  
H%!ED1zpA  
DrG9Kky{  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 *u2pk>y)  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 ;3nR_6\  
k/"^W.B aj  
.pP{;:Avpn  
O4Wn+$AN  
m+f?+c6  
*PXlbb  
6. 说明：闪耀光栅 Ez3>}E,  
7O_@b$Q  
j89C~xP6  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Mr5E\~K>s  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 %R18  
e{ce \  
9@nDXZPY&  
.RI{\i`  
B74L/h  
*5SOXrvhu6  
7. Czerny-Turner 测量原理 9WXJz;  
_QD##`<  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 I:6N?lD4}0  
iIOA54!o  
a/9R~DwN  
u7rA8u|TO  
:# 1d;jx  
8. 光栅衍射效率 6`KAl rH  
>L\>Th{o  
[n[!RddY  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 On[:]#  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 *W'F6Hpu  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) =hs !t|(*  
eR'Df"+  
6x1!!X+)+  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd y^7ol;t  
-`z`K08sT  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 -P;_j,~U  
:
Hk:Goo2  
y*
Egt`W  
0JQ0lzk1  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 NVEjUt/  
?o@5PL  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ubC(%Y_k  
2OXcP
!\Y  
zp"Lp>i  
RUJkfi=$  
 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)。 Dc,h(2  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 gW{<:6}!*  
EXlmIY4  
应用示例详细内容 XIM!]  
UL81x72O  
仿真&结果 m5O;aj* i  
-E6#G[JJ  
1. 结果：利用光线追迹分析 Y\7>>?  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 e rz9CX  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 H4s^&--  
gy|L!_1Z8  
X^!n'$^u  
J%G EIe|  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd Vy]y73~  
)ZxDfRjL  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ]*I:N  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 VO
_! +  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， =x9SvIm/tH  
Ekb9=/  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 =oZHN,  
/}G+PUk7  
^ olaq(z  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ?F{sym@i  
z/IA @  
3. 衍射效率的评估 dGxk ql  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 "/ N ?$  
9`83cL  
BCDmce`=l  
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。 lHRs3+  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 2K^D%U  
kq;1Ax0{  
4. 结果：衍射级次的重叠 EV1x"}D A_  
 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。 .hBq1p  
 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)。 3NI3b-7  
 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。 Rne#z2Ok
 
 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) v"nN[_T  
 光栅方程： |Z]KF>S]  
)e#KL$B)v  
-6 WjYJx  
Q5[x2 s_d  
&|/@;EA$8  
5. 结果：光谱分辨率 )?5027^  
+iS'$2)@  
T:v.]
0l~  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run bYPkqitqz  
KpHt(>NR  
6. 结果：分辨钠的双波段 `Aa}q(}k  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 t)#8r,9c  
   C5}c?=#bdf  
d:Y!!LV-@L  
gMN>`Z`fV  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 H1?t2\V4  
#'poDX?  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 4Zz%vY  
8Zj=:;  
7. 总结 zD#$]?@ b  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ~m/nV81  
1. 仿真 vY 0EffZ  
以光线追迹对单色仪核校。 k#eH Q!  
2. 研究 7a$K@iWU  
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。 zKh^BwhO|X  
3. 应用 3,ihVVr&P  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 //
/
  
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。 R07]{  
扩展阅读 #$5"&SM  
1. 扩展阅读 Sb2hM~  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 %G'{G  
X;e=d+pw  
 开始视频 |`T$Iq  
- 光路图介绍 y4\(ynk  
- 参数运行介绍 pZE}<EX  
- 参数优化介绍 *5|;eN  
 其他测量系统示例： x;^DlyyYU  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 'CQ~ZV5  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 7 XNZEi9o