[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) =PU!hZj"L  
?'>pfU  
应用示例简述 -rg >y!L  
d$DNiJ ,  
1.系统说明 dsJMhB_41U  
p;#@#>h  
 光源 MTI[Mez  
— 平面波(单色)用作参考光源 TS2zzYE6Z  
— 钠灯(具有钠的双重特性) KHnq%#  
 组件 t`F<lOKj  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 6:\0=k5  
 探测器 M N-j$-y}  
— 功率 l!S}gbM  
— 视觉评估 \%],pZsA~  
 建模/设计 Z+p'
3  
— 光线追迹：初始系统概览 DIAHIV<  
— 几何场追迹+(GFT+)： +\s32o zg  
 窄带单色仪系统的仿真 Dx1f<A1  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 pry
po.RI  
RaT.%:CRm  
2.系统说明 dZ6\2ok+  
AFMIp^F  
oItEGJ|  
Nqy)jfyex  
3.系统参数 qoZUX3{  
~)fd+~4L  
}#cFr)4f  
ve3-GWT{C  
5~ip N/)E  
4.建模/设计结果 77zfRSb+  
cc0e(\  
6'Sq|@VOi  
^ "D  
总结 E]MyP=g$  
!3*:
6  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 {zNFp#z  
1. 仿真 Xi  8rD"v  
以光线追迹对单色仪核校。 e&k=fV  
2. 研究 rl__3q  
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。 :Vnus @#r  
3. 应用 P#j>
hS  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 1yK=Yf%B  
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。 9coN >y  
$ca>bX]  
应用示例详细内容 jhx
@6[  
系统参数 E9N.b.Q)  
+M s`C)f  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 |V dr/'  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 (~U1X
4  
Y^(Nz
N  
^630%YO  
B[IqLD'6  
2. 系统参数 ?S2!'L  
>|W\8dTQ  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 cedH#;V!j  
w8KVs\/  
u27*-X 5  
_GtG8ebr  
3. 说明：平面波(参考) IEj=pI  
-<Oy5N  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 n38l!m(.  
HUWCCVn&  
K/A1g.$  
&60#y4  
4. 说明：双线钠灯光源 7nl  
gZ 6Hj62D  
n[c/L8j  
 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。 {0J (=\u  
 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)。 6$'0^Ftm'  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 p}K\rpvJpu  
O{&wqV5m"  
hcrx(oJ5  
2E/yZ ~2s  
5. 说明：抛物反射镜 TM*<hC  
 Z5[f  
R1j)0b6cQ%  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 l ]CnLqf&  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 r4wnfy  
wPRs.(]_  
\?K>~{)  
cuUlr  
g| M@/Dl  
uEE#A0  
6. 说明：闪耀光栅 ?cmv;KV   
lKA2~o  
>G<.^~o  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 eGW~4zU  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 /sa\Ze;E  
R3!3TJ  
6JZ$;x{j  
y|O)i I/g  
m=e#1Hs  
6H:'_|G  
7. Czerny-Turner 测量原理 ?D]qw4J  
$P7G,0-  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 ;=oGg%@aP  
;d{lvKk  
1Yb9ILX[J  
]Yd7  
_>)=c<HL  
8. 光栅衍射效率 r\f|r$i  
[-*8S1  
OK1f Y`$z  
 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。 7iM;X2=7}  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 TU,k( `tn<  
 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) `<x|<ey  
,Z1W3;O  
}N}\<RG  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd /@~&zx&_  
MI<XLn!*  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 cc|"^-j-7  
$v*0\O  
5q>u]n9]  
D
|BP]j}6  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 9'S~zG%{  
eOI#T'
5  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 i@|.1dWh  
A_\ZY0Xt  
xB&6f")  
[AHZOA  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 g0~3;y  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 :1JICxAU  
c(y~,hN&p  
应用示例详细内容 X/!37  
.1 =8c\%  
仿真&结果 g :Z, ab4  
9X2lH~C  
1. 结果：利用光线追迹分析 N;BS;W5I  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 {<_9QAS  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 #:?MtVC  
H%\\-Z$#  
\jcEEIEi  
=*u:@T=d5  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ->S6S_H/+&  
]CIZF,  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 <(%cb.^c=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)。 b[I;6HW  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， m#oZu {  
9ywPWT[^  
 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。 c*"TmDY  
`xO&!DN  
vs)1Rm  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 2\,vq R  
G2x5%`   
3. 衍射效率的评估 #(`@D7S"  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 (n~e2tZ/  
ZoiCdXvTN  
Y}C~&Ph  
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。 2 #+g4  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd Je6=N3)  
X|WAUp?  
4. 结果：衍射级次的重叠 wPl!}HNf  
 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。 N!e?K=}tL  
 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)。 `[+nz rLkO  
 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。 =lf&mD _/  
 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) |Gw[vY  
 光栅方程： f'\NGL  
 t: =  
PG1#Z?_  
<p'~$vK  
ly d[GfJ  
5. 结果：光谱分辨率 ?6bk&"T?  
@lau?@$ja  
FJN,er~T[  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ='7n  
U?6YY`A8  
6. 结果：分辨钠的双波段 1{-W?n  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 A;sdrA  
   $o"PQ!z  
X`ifjZ9}d  
PUUBn"U-  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ;n*N9-|.  
AUnRr+o  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run *XmOWV2Y_  
({cgak  
7. 总结 GRC=G&G  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 3:rH1vG.m  
1. 仿真 AcN~Q/xU  
以光线追迹对单色仪核校。 eo4<RDe<  
2. 研究 ,~Y5vnaOQ  
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#cdw#gH  
3. 应用 vO1P%)  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 )>ed6A
1  
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。 |n;gGR
\  
扩展阅读 :\*hAV1i  
1. 扩展阅读 \<VwGbzFi  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 %8kbX  
<G59>H5  
 开始视频 RGGP6SDc  
- 光路图介绍 UcMe("U  
- 参数运行介绍 -/aDq?<<  
- 参数优化介绍 }TRr*] P<%  
 其他测量系统示例： EjB<`yT  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) lX`)Avqa  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) l%"eQ