[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) )Co&(;zf  
9@{=2 k  
应用示例简述 @9ndr$t  
H7&bUt/  
1.系统说明 z(
$h7TZ$  
zmdu\:_X9  
 光源 Z7:TPY$b  
— 平面波(单色)用作参考光源 ?loP18S b  
— 钠灯(具有钠的双重特性) ){S/h<4m  
 组件 Q/u1$&1  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 tIJ?caX5=  
 探测器 *B ]5K{N  
— 功率 $Il:Yw_  
— 视觉评估 ]%I}hjJ  
 建模/设计 AC& }8w[>u  
— 光线追迹：初始系统概览 ,LpGE>s  
— 几何场追迹+(GFT+)： ZlEH3-Zv  
 窄带单色仪系统的仿真 eT<T[; m  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 Sru}0M#M  
KBSO^<7  
2.系统说明 w>6~ zAh  
klON6<w  
@5Zg![G  
rJ7yq|^Z  
3.系统参数 N{o3w.g  
,R8:Y*@P  
>|!s7.H/J/  
EKTn$k=  
WK)2/$7
@  
4.建模/设计结果 6B .x=  
B+Ox#[<75  
fBZAO  
a3?D@@Qnw  
总结 DuV@^qSbG.  
BL?Bl&p(  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 a ]~Yi.H  
1. 仿真 6OOdVS3\J  
以光线追迹对单色仪核校。 co-dq\P  
2. 研究 KMo]J1o  
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。 $Lx2!Zy
 
3. 应用 kEr;p{5  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 F\U^-/0,  
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。 Q q7+_,w  
. v L4@_  
应用示例详细内容 !`$xN~_  
系统参数 ;{%R'  
6r3.%V.&  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 QW[ gDc  
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。 \n}@}E L  
&Bfgvws;  
Aq~}<qkIF+  
`N.^+Mvx-  
2. 系统参数 $ &III  
ZT'VF~  
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。 )CAEqP  
~EJ+<[/  
7>sNjOt@M  
`<3xi9  
3. 说明：平面波(参考) :l/?cV
;  
M}cgVMW  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 Iq%f*Zm<  
C 7e  
<!m'xOD  
:1/K$A)^{  
4. 说明：双线钠灯光源 GiH<6<=  
S]#xG+$<  
V% PeZ.Xv  
 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。 |gP9
^B?3  
 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)。 \f6@B:?y  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 Q3OGU}F  
m.|__L  
njoU0f1`  
vy&< O  
5. 说明：抛物反射镜 qT}AY.O%^  
%DqPRl.Gu  
Nd] w I|>  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 KOqp@K$  
 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。 N~/D| ?P~2  
f5p:o}U*  
`~ ,  
^P| K2at  
%n7mN])  
Frxim  
6. 说明：闪耀光栅 Q;EQ8pL?"  
U!xOJ  
C~PoC
'"q  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 |5(< Vk=  
 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 RXZ}aX[h  
7 g2@RKo  
F9Y/Z5 Ea  
nm3/-Q},  
b7nER]R  
q)Uh_l.Cj  
7. Czerny-Turner 测量原理 ]EhU8bZ  
c/bIt  
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。 2S`D7R#6s  
0 jszZ_  
`VB]4i}u  
K$K6,54y  
 | D?lF  
8. 光栅衍射效率 |` +G7?)Y  
Q8^fgI|  
vxmz3ht,Q  
 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。 w)u6J,  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 DQ a0S7I  
 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) spVE'"^  
Q:/BC= ~  
@}Y,A~  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd >gqd y*Bg  
!4ZszQg  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ?mjQN|D  
ZV?~~_9  
uBPxMwohR  
pO~lVM  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 Mr8r(LGY  
U<|h4'(@L  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 SW^/\cJ^  
4kZ9]5#.  
T{VdlgL  
.^Z^L F  
 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)。 q!5 *)nw"  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 /J-:?./  
LZ"yMnhOf  
应用示例详细内容 $d[xSwang  
T<\!7RnLc  
仿真&结果 ?[|T"bE5[  
BWd{xP y  
1. 结果：利用光线追迹分析 jw^Pt~@
  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 D8b~-#  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 x
K3 xiR  
e!:/enQo  
W)0y+H\% r  
3*DwXH+  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd y].vll8R  
Ckelr  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ;g0p`wV  
 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)。 0%9Nf!j  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， wGXnS"L!  
@y#QH
J.j  
 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。 .7!n%Ks  
^YpA@`n  
?-"%
%#  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms C#y[UM5\k;  
LHt{y3l]  
3. 衍射效率的评估 eTV%+  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 {APsi7HYBr  
6__#n`  
jf_0I
E  
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。 nmLn]U=  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd o9l =Q  
jmcb-=ts  
4. 结果：衍射级次的重叠 :[#~,TW  
 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。 E%f;Z7G  
 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)。 g' xR$6t  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 }WN0L?h.E  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) Q}?yj,DD  
 光栅方程： 1D,$Az~.  
?H c~ 3  
>@2l/x8;  
rb/m;8v>  
Qo4+=^(  
5. 结果：光谱分辨率 p8>.Q/4  
Al^n&Aa+\  
pP4i0mO{Dv  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run @aG1PG{  
_L6WbRu|  
6. 结果：分辨钠的双波段 H$:Z`CQt<  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 8-N8v *0  
   nt/+?Sj  
>bf29tr  
YHVJg?H3  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 6AZJ,Q\E@  
v;E7UL .w  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run d(>7BV  
.b4_O CGg  
7. 总结 <&7KcvBn"4  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 +\`D1d@  
1. 仿真 *0 ;DCUv  
以光线追迹对单色仪核校。 +F &,,s"&  
2. 研究 ^y?7B_%:B#  
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。 |g5B==KI  
3. 应用 k)W8%=R  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 t'uZho~^F  
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。 }w \["r  
扩展阅读 Dt~Jx\\  
1. 扩展阅读 G`9\v
=0  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 :*bmc/c  
apxZ}  
 开始视频 y.AF90Q>)  
- 光路图介绍 r( _9_%[  
- 参数运行介绍 $XFiH~GI  
- 参数优化介绍 {Gnji] v  
 其他测量系统示例： |kvom 4T  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ^X6fgsjz  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) %}+!%A.3