[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) QChncIqc  
2eHVl.C5  
应用示例简述 @DIEENiM  
eTFep^[  
1.系统说明 O6
/:J#X%  
j+fib} 8}  
 光源 W]oa7
VAq  
— 平面波(单色)用作参考光源 iO&*WIbg  
— 钠灯(具有钠的双重特性) OP<N!y?[  
 组件 O wuc9  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 #}Yrxf  
 探测器 &<x.D]FA]  
— 功率 e!PB3I  
— 视觉评估 %&_^I*  
 建模/设计 w >2sr^!y  
— 光线追迹：初始系统概览 S)g:+P  
— 几何场追迹+(GFT+)： 6I: 6+n  
 窄带单色仪系统的仿真 Unv'm5/L  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 _P=+\[|y  
d#TA
20`  
2.系统说明 aZ$5"  
x!fG%o~h  
F
sm6gE`|n  
V3#ms0  
3.系统参数 #CPLvg#  
(BFwE@1"  
=6qTz3t  
;@T0wd_i|  
0 zK{)HZ  
4.建模/设计结果 rrr_{d/  
SkMFJ?J/  
[al$sCD]+  
;1[Z&Uv8  
总结 S :8  
I ^m  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 r8@]|`j  
1. 仿真 yhYF "~CM  
以光线追迹对单色仪核校。 ,% QhS5e  
2. 研究 &oMWs]0  
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。 SOq:!Qt
  
3. 应用 |4g0@}nr+W  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 m0As t<u  
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。 EwX&Cj".  
!ig&8:  
应用示例详细内容 n8F~!|lQ0  
系统参数
MW6z&+Z  
71\53Qr#U  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 }mXYS|{  
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。 iX6>u4~(  
&n )MGg1%  
Go)g}#.&  
*s*Y uY%y  
2. 系统参数 ,bXZ<RY$  
F^'$%XKV  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 chKK9SC+|  
y7M{L8{0  
+x=)Kp>  
cd1G.10  
3. 说明：平面波(参考) T"[]'|'  
xsB0LUt  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 sde>LZet/  
g/JF(nkP  
kFwFPK%B  
ey=KA
t  
4. 说明：双线钠灯光源 H:]cBk^[,  
29,ET}~  
>PSO]%mE  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 [p9v#\G; [  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 #G77q$  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 X)[tb]U/Wx  
u*G<?  
![^pAEgx  
uy'seJ  
5. 说明：抛物反射镜 \jtA8o%n  
zo(#tQ-'m  
OALNZKP  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 b/'c h  
 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。 ^ *"fC  
~2"hh$  
hr}f5Z)^v  
Q2VF+g,  
1j$\ 48
Z  
G n]qh(N>  
6. 说明：闪耀光栅 CpO_p%P  
^PTf8o  
PlGif)  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 kun/KY  
 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 &2y4k"B&)  
cK+TE8ao  
s2{SbOBis  
ixu*@{
<Z(  
$]We|  
|nZ^RCHog  
7. Czerny-Turner 测量原理 172G  
]=00<~ l*q  
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。 qh~bX i!  
T+v*@#iJ_  
iPTQqx-m$7  
;>v.(0FE6  
{R!yw`#^B  
8. 光栅衍射效率 Dcvul4Q  
q@ -B+  
a/j;1xcc<  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 bV8+Eu  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。
v_!6S|  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) s$R /!,c  
 l(?B0  
G%erh}0~  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd R+M=)Z  
{Yj5Mj|#  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 2!^=G=H/  
b_31\  
x%}D+2ro-t  
*p}mn
#ru-  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 fHup&|.  
}=^ ,c  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 lGd'_~'=  
7AV{ h[J  
KNx/1lf  
zuvPV{ X  
 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)。 zqeQ  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 $jN.yNm0  
hC<ROD  
应用示例详细内容 _uQ]I^'D  
Hb=#`  
仿真&结果 #d-({blo<  
Ay16/7h@hi  
1. 结果：利用光线追迹分析 kv:9Fm\$  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ~Ru\Z-q1  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 4X
N \p  
)d2Z g  
$o[-xNn1  
+/ukS6>gr  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd =0)|psCsM  
P1eSx#3bR  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 (9]Uuvfp6"  
 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)。 aA`eKy) \  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， +:FXtO>n"  
:;+!ID_
  
 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。 NIV}hf YF  
<Ua~+U(FR0  
<Vhd4c  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 75# 8P?i  
)eyzHB,H  
3. 衍射效率的评估 \OwF!~&  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 ]cpb;UfM  
}'oU/@yG  
Xh@K89`uX  
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。 yfG;OnkZ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd cJo%j -AM  
/Y0~BQC7!  
4. 结果：衍射级次的重叠 0?7yM:!l  
 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 _Y.~  
 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/D=$)3op  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 P<]U  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) t+?Bb7p,H  
 光栅方程： N<)CG,/w[M  
M)bQvjj  
\dk1a  
@;/Pl>$|'G  
l9.`2d]o
 
5. 结果：光谱分辨率 cE\w6uBR1  
t<!m4Yd|#  
*rq*li;  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run =6sP`:  
6Og@tho  
6. 结果：分辨钠的双波段 8+'}`  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 'Ea3(OsuXn  
   !l'nX  
m%|\AZBA#  
C[
^VM$  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 `^)`J  
4$Ai!a  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run i 8sv,P  
' @!&{N  
7. 总结 cC*WZ]  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 6N@=*0kh-  
1. 仿真 V;SfW2`)  
以光线追迹对单色仪核校。 +Br<;sW  
2. 研究 u3h(EAH>  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 k\OZ'dS  
3. 应用 j7P49{  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 uX7L1~s-  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 <-`bWz=+  
扩展阅读 a ,mgM&yD  
1. 扩展阅读 ~?/7:S  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 7F"ljkN1S  
) 57'<  
 开始视频 Ab$E@H#  
- 光路图介绍 c&D+=   
- 参数运行介绍 Y9abRrK  
- 参数优化介绍 #(]D]f[@  
 其他测量系统示例： IogLk
hWX  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) `gl?y;xC  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) |r@;ulO