[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) [`U9
  
WmTg`[  
应用示例简述 IgNL1KRD  
hx:"'m5  
1.系统说明 hWAZP=H  
Q|Go7MQZ@k  
 光源 [fIElH<  
— 平面波(单色)用作参考光源 Av,E|C  
— 钠灯(具有钠的双重特性) $zD}hO9  
 组件 ~O~R,h>  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 ES9|e
o6  
 探测器 *Ry{}|_8  
— 功率  o
\-:  
— 视觉评估 <,huajQs  
 建模/设计 Hmv@7$9s\  
— 光线追迹：初始系统概览 a[A*9%a  
— 几何场追迹+(GFT+)： sHf.xc  
 窄带单色仪系统的仿真  I7} o>{  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 I1fUV72  
s*UO!bHa  
2.系统说明 "Oq>i9v;|$  
cRS2v--\-  
3!2TE-  
C?fa-i0l^  
3.系统参数 u ioBId  
D/TEx2.=J3  
v|#}LQZ  
B,avI&7M;S  
Fpckb18}(O  
4.建模/设计结果 Oq4J$/%  
| x/Z qY  
*WK0dn  
q&0I7OV  
总结 h?+bW'm  
k/mO(i%qi  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 } 0x'm  
1. 仿真 WJF#+)P:Y  
以光线追迹对单色仪核校。 D/Hob  
2. 研究 L>{p>  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 WbH#@]+DN  
3. 应用 mrId`<L5l{  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 sEm064  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 ?h7(,39^>  
7FvtWE*  
应用示例详细内容 e{fm7Cc)D  
系统参数 1PnWgu  
fLR\@f  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 :Miri_l  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 J={R@}u  
18];fC  
PA<<{\dp  
cr"AK"TQ  
2. 系统参数 {v~.zRW%]r  
C3z#A3&J  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 kSq1Q#Bxq  
7qT>wCVT  
NZ=`iA8)X  
9>1Gj-S2:  
3. 说明：平面波(参考) )ND%MYJSq  
,+hH|$  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ^*A8 NdaB  
G~fM!F0   
Z+]Uw  
/`vn/X^?^  
4. 说明：双线钠灯光源 )%D>U  
- }2AXP2q  
6im!v<1Qx  
 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。 +`s%-}-r  
 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)。 R0_O/o+{  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 [6{o13mCWE  
YNV4'  
>4@/x{{  
4g}'/  
5. 说明：抛物反射镜 S=.7$PY  
Ut
hH  
bUBQ  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 I|oS`iLl$  
 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。 ^;=L|{Xl  
NsY D~n  
6x8P}?  
M9scZuj  
Od5I:p]N  
0}d^UGD  
6. 说明：闪耀光栅 TqN4OkCm/  
()+PP}:$A  
2qkZ B0[  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 g7r_jj%ow  
 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 k}h\RCy%f  
_0: }"!Gq  
GoTJm}[NP  
"0edk"hk  
G3
78,H  
{} gr\  
7. Czerny-Turner 测量原理 Yl#|+xYA5[  
!0k'fYCa  
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。 @fz!]/  
X:
1&Pdi  
%zCV>D  
r(Vz(  
~vMdIZ.h  
8. 光栅衍射效率 ,9@JBV%_  
yv2N5IQ>{V  
r3_O?b  
 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。 n^P~]1i   
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 |1[3RnGS  
 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) ]/klKqz  
eKw!%97>  
wTw)GV4  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd *eLKD_D`!C  
HZDeQx`*s  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 Ub_!~tb}?  
j[e<CGZ  
! O~:  
Z|k>)pv@  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 4,)EG1  
N">4I)  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 lNwqWOWy  
X{YY)}^  
*@1(!A  
$2gX!)  
 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)。 $t{;- DpNB  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 )5NjwL
s  
>nqCUhS   
应用示例详细内容 {k"t`uo_  
4[VW
~x07  
仿真&结果 :Ou[LF.O  
2^;zj0]Rt  
1. 结果：利用光线追迹分析 7XU$O$C  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Am @o}EC  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 XGCjB{IV  
$]`rWSYtv`  
HZJ)q`1E  
&h<\jqN/  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd B}U:c]  
}gR!]Cs)^  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 *&nIxb60b{  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 `:>N.9'o  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， =Sp+$:q*  
9m+ejTK{U  
 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。 `Hp=1a  
BV-(`#~:y  
n)t
'?7  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms .X](B~\!  
bCL/"OB  
3. 衍射效率的评估 V7}]39m(s  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 \MU-D,@  
E3"j7y[S  
ZR8
%h<  
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。 &ra2(S45  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd WZ6'"Cz`  
\WPy9kRU  
4. 结果：衍射级次的重叠 ?l>Ra0  
 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。 dzRnI*  
 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)。 4o69t  
 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。 Xf%vfAf  
 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) >.1d1#+b  
 光栅方程： |QHIB?C?`  
UY}EW`$#m  
s^R$u"pFs  
m8Y>4:Nw  

i*jnC>  
5. 结果：光谱分辨率 UpSa7F:Uw  
TR&7AiqB  
nJ2
910"<  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run me YSW  
Y1-=H)G  
6. 结果：分辨钠的双波段 "UUoT  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ,:6.Gi)|  
   Sah!|9  
#9rCF 3P  
AK//]   
设置的光谱仪可以分辨双波长。 oEJxey]B7  
ufB9\yl{~  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run UXPF"}S2
 
t3<HE_B|  
7. 总结 qNX+!Y}y  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 f64}#E|w  
1. 仿真 pebNE3`#  
以光线追迹对单色仪核校。 WiqkC#N  
2. 研究 X- P%^mK  
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。 2v{42]XYf  
3. 应用 ?6V U4nK/*  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 (YY!e2  
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。 l{8t;!2t  
扩展阅读
#SR )tU  
1. 扩展阅读 FvyC$vip  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 %*^s%NI  
[H=l#W@  
 开始视频 W2]%QN=m$  
- 光路图介绍 gg&Dej2{  
- 参数运行介绍 h3(B7n7  
- 参数优化介绍 \=j|ju3  
 其他测量系统示例： 4Ix~Feuph  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) `{&l _  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 9Idgib&