[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) -t#YL
 
$?P5A E  
应用示例简述 /=5:@  

lV%oIf[OB  
1.系统说明 :/A7Z<u,  
Lf0X(tC  
 光源 p"@[2hK  
— 平面波(单色)用作参考光源 Cb}I-GtO  
— 钠灯(具有钠的双重特性) m3T=x =  
 组件 KBC?SxJSJc  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Gxhr0'  
 探测器 sdp3geBYo  
— 功率 z]+&kNm  
— 视觉评估 jouA ]E  
 建模/设计 7l(GBr  
— 光线追迹：初始系统概览 hs^K9Jt  
— 几何场追迹+(GFT+)： %eOO8^N  
 窄带单色仪系统的仿真 0RZ[]:(  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 L;GkG! g  
UaCfXTG  
2.系统说明 X 0vcBHh  
sHqa(ynK  
?3 S{>+'  
5Z@0XI  
3.系统参数 !i>d04u`%  
c7~'GXxQ2  
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hN;\Z[@  
fI v?HD:j  
a%nf )-}|  
4.建模/设计结果 sOJXloeO[6  
H\fsyxM7  
Sx8RH),k  
W1Vy5V|M  
总结 :%-w/QwTR  
y{KYR)  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 QHXA?nBX  
1. 仿真 bWgRGJqt  
以光线追迹对单色仪核校。 ~^TH5n  
2. 研究 `r'$l<(4WV  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 )b?$ 4<X^  
3. 应用 lqTc6@:D  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 )+Y"4?z~  
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。 ]ZnASlc)  
j
1rR3)oP  
应用示例详细内容 4/ WKR3X  
系统参数 IeZ9 "o h  
_\8jnpT:  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 -7KoR}Ck!  
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。 jF@BWPtF=  
< 1%}8t"
 
43 vF(<r&f  
5sANF9o!  
2. 系统参数 7B<,nKd  
Xs{PAS0  
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。 W#+f2 RR  
0xx4rpH  
]$uC~b   
hFo29oN  
3. 说明：平面波(参考) !1Hs;K  
@eM$S5&n$  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 "O'c.v?{x  
k`;d_eW  
5%N[hd1Ql  
Z3yy(D>*  
4. 说明：双线钠灯光源 '4Jf[  
"IB36/9
 
2F+"v?n=\  
 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。 >$tU @mq  
 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)。 \%&A? D  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ?YMBZ   
74ho=  
XG*>
yra`  
Lk!m1J5  
5. 说明：抛物反射镜 dk^jv +  
`KtP;nG  
\WBO(,]V  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 Dw/vXyZ  
 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。 b*Q3j}cZ  
z#Fel/L`O  
Zf1 uK(6X  
pSbtm74  
x|yJCs>  
Yj'9|4%+|  
6. 说明：闪耀光栅 c9G%;U)  
{_-T!yb  
z{|0W!nHJ  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 B~E">}=!  
 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 W+GC3W   
o">~ObR  
7~FHn'xt  
z"T+J?V/  
(6B;  
mI5J]hk  
7. Czerny-Turner 测量原理 5'NNwc\  
'YB[4Q /0  
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。 2F>Y{3&  
=^GPQ_"  
]\KVA)\  
h]h"-3  
sQ340!  
8. 光栅衍射效率 mZ2CGOR  
@!=Ds'MJC  
l;KrFJ6  
 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。 [Q{\Ik  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 p:TE##
  
 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) \c<;!vkZ04  
$K!Jm7O\  
$cIaLq  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd z]r'8Jc  
jhf# gdz%  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 F \ls]luN  
J}&Us p  
0uIY6e0E  
)2RRa^=&  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 W03mdRW  
,|d9lK`"P  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 sWo}Xq#  
X5YOxMq  
:Rb\Ca  
 NdRcA  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 ]y6{um8"  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 {Y@shf;  
VS/M@y_./  
应用示例详细内容 &n;*'M  
-'g>i  
仿真&结果 dkz% Y]  
`v!. ,Yr  
1. 结果：利用光线追迹分析 IK\~0L;ozE  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Sc]K-]1(H  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 3s/1\m%  
",3v%$>  
?/OF=C#  
_]OY[&R  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd }ofb]_C,  
)][U6
e  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 mA{?E9W  
 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)。 ]5jS6@Vl*  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度，  Rpgg :  
U@NCN2I  
 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。 q4[8\Ua  
LAlwQ^v|  
h
40;Q<D  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms Cu8mNB{H  
+#MXeUX"  
3. 衍射效率的评估 ;Y\LsmZ;F  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 #zTy7ZS,0  
;:D-}t;  
Q"dq_8\`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。 &Gjpc>d  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd (p{%]M
  
gLX<>|)*  
4. 结果：衍射级次的重叠 (M$0'B
V0  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 OW@%H;b  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 _#sy  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 \1!Q.V  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) ]UkH}Pt'3  
 光栅方程： FuiR\"Ww  
Cw+boB_tip  
m"9f(  
bI &<L O  
bFX{|&tHU  
5. 结果：光谱分辨率 0~fjY^(  
D{N8q^Cs9  
p75o1RU  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run FB[b]+t`D{  
T&_&l;syA  
6. 结果：分辨钠的双波段 ^[7Mp  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 +r3)\L{U  
   >BbX:  
euB1}M  
BuV71/Vb{Q  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 J _
O5^=BP  
W^[FWFUTY  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run hN2A%ds*(j  
}n==^2  
7. 总结 %Xd*2q4*  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ^xa, r#N:V  
1. 仿真 ZRxOXt&;  
以光线追迹对单色仪核校。 J#..xJ?XRD  
2. 研究 P+j=]Yg  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 0$)Q@#  
3. 应用 49MEGl;K0\  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 @PvO;]]%  
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。 +]%S}<R  
扩展阅读 zL yI|%KH  
1. 扩展阅读 XYo,5-  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 TN0KS]^A3  
eB5>uKa  
 开始视频 p/<DR|  
- 光路图介绍 '3b\d:hN  
- 参数运行介绍 m;dwt1'Zw  
- 参数优化介绍 X`D2w:  
 其他测量系统示例： Q~U\f$N  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) mw 28E\U  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) N[/<xW~x?4