[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) ?W>`skQ  
GT7&>}FJ)  
应用示例简述 OdbXna  
|}?H$d  
1.系统说明 %M3L<2  
&,P; 7R  
 光源 .07"I7  
— 平面波(单色)用作参考光源 = GyABK  
— 钠灯(具有钠的双重特性) G@KDRv  
 组件 8_VGB0~3i  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 I7wR[&L885  
 探测器 IH&0>a  
— 功率 PJ)l{c  
— 视觉评估 b"aF-,M>  
 建模/设计 qSGM6kb  
— 光线追迹：初始系统概览 ;X^#$*=Q  
— 几何场追迹+(GFT+)： KL6B!B{;  
 窄带单色仪系统的仿真 mlxtey6H3  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 @j!(at4B  
HSWki';G  
2.系统说明 XzPOqZ`Nv  
]>Ym   
;\v&4+3S  
#UE}JR3g  
3.系统参数 {P_i5V?  
H|_@9V  
vV xw*\`<6  
b}DC|?~M  
-u(,*9]cJ*  
4.建模/设计结果 DZ @B9<Zz{  
m_;fj~m  
q9dplEe5  
>|z:CX$]  
总结 kia[d984w  
gV-*z}`U  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 \vJ0Mhk1  
1. 仿真 L2p?]:-  
以光线追迹对单色仪核校。 sE'c$H  
2. 研究 c:e3hJ  
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。 F3qCtx*N  
3. 应用 ^r-d.1  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 -b iE  
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。 _|4R^*/4  
"P0!cY8r  
应用示例详细内容 >|c?ZqW  
系统参数 %*szB$[3  
D+v?zQw  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 n 7i5A:  
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。 Q=8YAiCu  
Xy%||\P{)  
IIih9I`IR  
n?nzm "g  
2. 系统参数 6}m`_d?  
7)]boW~Q  
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。 O Bcz'f~  
SzIzQR93&  
Y<|JhqOXK  
Arg/g
e.y  
3. 说明：平面波(参考) >O<a9wz  
I5q$QQK  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 `kuu}YUi  
@"`}%-b  
dVYY:1PS  
"5L?RkFi\  
4. 说明：双线钠灯光源 }2@Z{5sh)  
z
&Xl  
*~g*J^R
}  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 D h;5hu2"  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 +Eh.PWEe  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 w$/lq~zU  
z?<B@\~  
FJDC^@Ne  
pJvPEKN  
5. 说明：抛物反射镜 r@}`Sw]@  
iAZ8Y/  
_\KFMe=PV  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 )M
.s<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。 gy%.+!4>v`  
~9 .=t'  
']TWWwj$  
eJTU'aX*   
w") G:K  
!DzeJWM|  
6. 说明：闪耀光栅 8 7(t<3V&  
WI4<2u;  
w.w{L=p:<"  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 |J,zU6t  
 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 I{OizBom  
~*7$aj  
QZ l#^-on  
g}v](Q  
Ny2 Z <TW  
udqrHR5  
7. Czerny-Turner 测量原理 KR#,6  
!nSa4U,$w<  
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。 n!4\w>h  
{6H[[7i  
9 Gd6/2  
 I8?  
P !i_
?M  
8. 光栅衍射效率 B^/MwD>%  
vSR&>Q%X  
wx*?@f>u^  
 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。 U;#KFZ+~  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 3/`BK{  
 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) ^AH[]sE_  
PP$sdmo  
n7fhc*}:`  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd IqYJ  
4W"A*A  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 Q4m> 3I  
P)`^rJ6
 
-`I|=lBz{H  
A,.X  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 D_d>A+  
K khuPBd2  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 OF7hp5  
Cq!eAc  
`-uE(qp  
d$3rcH1  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 Ncz
4LKzt  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 p[C"K0>:_F  
F,
Q;sq  
应用示例详细内容 +a!3*G@N+  
Bib<ySCre  
仿真&结果 L*Z.T^h  
f256;3n  
1. 结果：利用光线追迹分析 -x+3nb|.  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 #SHeK 4  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 ]?4;Lw  
`f>
!/Zm%9  
%XGm\p  
"tCTkog3]  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd gsyOf*Q$  
/xk7Z q  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 P~trxp=k  
 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)。 z?\it(  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， S[F06.(1  
- Z,Qj"V  
 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。 'GJB9i+a^  
|Mq+QDTTw~  
Ljd`)+`D  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 5!F;|*vC8  
I_<VGUk  
3. 衍射效率的评估 4f\NtQ)  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 '3b\d:hN  
">bhxXeiN  
^&?,L@fW  
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。 }/a%
-07R  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd '|IcL1c=I  
>B{NxL3->  
4. 结果：衍射级次的重叠 pt<zyH3Z  
 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。 5tlRrf  
 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)。 [7@g*!+d  
 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。 U+!RIF[Je  
 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) "|8oFf)l@B  
 光栅方程： =npE?wK  
<T_3s\  
[KK |_  
z
+"$G  
4EqThvI{  
5. 结果：光谱分辨率 }emUpju<C  
H3rA ?F#+*  
;R*-cm  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 7S{qo&j'  
hObL=^F  
6. 结果：分辨钠的双波段 ~n]5iGz  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 EwPrh  
   XKjrS 9:  
+Ryj82;59z  
fUjo',<s  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 LIID(s!bX  
rwq   
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run ;_cTrjMv\  
8Rj5~+5  
7. 总结 *igmi9A  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 $@z77td3  
1. 仿真 ?6:qAFw  
以光线追迹对单色仪核校。 P~\rP6 ;  
2. 研究 H~j@n!)  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 ztO)~uL  
3. 应用 *J-pAN  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 jR/Gd01)  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 Ugri _  
扩展阅读 CQWXLQED>  
1. 扩展阅读 uFWA] ":is  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Clum m@z;#  
C7%R2>}?f  
 开始视频 (e7!p=D  
- 光路图介绍 oYu xkG  
- 参数运行介绍 2)=whnFS  
- 参数优化介绍 {xTq5`&gT  
 其他测量系统示例： ^N={4'G)  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) c-$r
B_t+  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) F1yn@a "=J