[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) 1=V-V<  
T_4/C2  
应用示例简述 ud('0r',D  
S<Xf>-8w  
1.系统说明 &%J08l6  
oCz/HQoBk  
 光源 aPL+=58r  
— 平面波(单色)用作参考光源 4.t-i5
  
— 钠灯(具有钠的双重特性) DB,J3bm  
 组件 3.y vvPFEM  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Gk6iIK  
 探测器 N(yzk_~  
— 功率 _oeS Uzq.  
— 视觉评估 sXFZWj}\  
 建模/设计 fz "Y CHe  
— 光线追迹：初始系统概览 o66}yJzmD  
— 几何场追迹+(GFT+)： F:S}w  
 窄带单色仪系统的仿真 Z7Hbj!d/Sz  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 UkFC~17P  
LKDO2N  
2.系统说明 A.w.rVDD  
SE*g;Cvg1  
u>vL/nI  

1$h,m63)  
3.系统参数 r9?Mw06Wc5  
& 1f+,  
c-sfg>0^  
tQ#n${a@f  
La[V$+Y  
4.建模/设计结果 K{+2G&i  
"3J}b?u_[  
7b+6%fV  
O;3>sLgc  
总结 k+*u/neh  
a d\ot#V  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 2GG2jky{/  
1. 仿真 S3J^,*'  
以光线追迹对单色仪核校。 ~a2}(]  
2. 研究 m9;SrCN_  
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。 .T`%tJ-Em  
3. 应用 CAf6:^0  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 -mh3DhJ,  
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。 g<qaXv  
{_*yGK48n  
应用示例详细内容 E"IZ6)Q  
系统参数 ~"A0Rs=  
.e-#
yET  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 h{qgEIk&  
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。 r.U`Kh]K  
#O&8A  
-yg7;ff  
19#\+LWA  
2. 系统参数 7d\QB(~  
-Lg Ei3m  
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。 @2#lI  
_Z\

G5x  
B#R|*g:x  
vP,n(reM  
3. 说明：平面波(参考) !()Qm,1u  
~$J2g  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 -G=]=f/'  
?V=CB,^  
LR3*G7  
Dt1jW  
4. 说明：双线钠灯光源 XK vi=0B  
wuo,kM  
VxBo1\'  
 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。 6S{l'!s'  
 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)。 +w~oH=  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 _
"{Xi2@H  
}-`4DHgq  
{.]7!ISl5  
z(~_AN M4,  
5. 说明：抛物反射镜 $pz/?>!  
1.>m@
Slr>  
ji="DYtL  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 3(UVg!t  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 6dY
MwMH  
Xwtqi@zlE  
)M^ gT}M  
H"F29Pu2  
`H+lPM66  
&nK<:^n  
6. 说明：闪耀光栅 yDh6KUK  
2Z%O7V~u  
WY]s |2a  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Ea=P2:3*  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 yh=N@Z*zP  
fB,_9K5i  
*lb<$E]="!  
}PpUAt~g  
6H|S;K+  
&c #N)U  
7. Czerny-Turner 测量原理 fXB0j;A  
zW nR6*\  
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。 BJ0?kX@  
paMa+jhQQ  
M^I(OuRMeI  
B/C,.?Or  
R}ecc  
8. 光栅衍射效率 2T`!v  
wQLSf{2  
i mM_H;-X  
 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。 [S<";l8  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 l;V173W=&  
 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) |cY`x(?yP  
E} .^kc[(4  
%>s|j'{  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd mA}"a<0  
A)KZa
"EX  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 |7Kbpj  
B-ESFATc  
8>%hz$no=  
9>$p  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 L rPkxmR  
B1Oq!k  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 'ig'cRD6N  
CQ2jP G*py  
.8|X   
Vz[C=_m  
 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)。 O9p|a%o  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 zn(PI3+]!  
~_a-E  
应用示例详细内容 r%N)bNk~  
FgI3   
仿真&结果 MY/}-*|  
/Q )\+  
1. 结果：利用光线追迹分析 h.fq,em+H  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 L4f3X~8,b  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 RGX=)  
cS+>J@L  
yppo6HGD  
c:g'.'/*  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 07$o;W@  
d5l UGRg  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 Xry47a )  
 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)。 3BLq
CZ  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， Ca3~/KrM  
PxE3K-S)G  
 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。 L_s:l9!r  
8.~kK<)!  
a'z7(8$$  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms D,ln
)["xm  
 Mc}^LDX  
3. 衍射效率的评估 fxIf|9Qi`  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 8x{'@WCG%  
2Hv+W-6v  
yCX?!E;La  
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。 8sCv]|cn  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ei{eTp4HpV  
o8vug$=Z  
4. 结果：衍射级次的重叠 [c06 N$:  
 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。 wa3}SB  
 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)。 F}qc0  
 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。 n-OL0$Xu  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) \^%}M!tan  
 光栅方程： u~-8d;+?y  
E+JqWR5  
Oc; G(l(  
@ry_nKr9  
?F;8Pa/  
5. 结果：光谱分辨率 PiYxk+N  
ofv)SCjd  
= 9]~yt  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run J)C/u{o  
#C3.Jef  
6. 结果：分辨钠的双波段 +?!(G}5  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ?I@
W:#>o  
   r0gJpttDl  
?3xzd P  
RdML3E  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 }Z,x~G  
Wiu"k%Qsh  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run #N cK X  
E\,
-XH  
7. 总结 &9)\wnOS  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 0_t`%l=  
1. 仿真 %|i`kYsy  
以光线追迹对单色仪核校。 d<N:[Y\4l  
2. 研究 {> 0wiH#!E  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 8pgEix/M5o  
3. 应用 {8%a5DiM  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 u-5{U-^_  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 d;}nh2*  
扩展阅读 > "=>3  
1. 扩展阅读 H DFOA  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 %-0t?/>  
KyQX!,rV  
 开始视频 )TH@#1  
- 光路图介绍 KMjhZap%  
- 参数运行介绍 ~La>?:g <+  
- 参数优化介绍 "!%l/_p?  
 其他测量系统示例： C-[eaHJ'$  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) H}bJ"(9$vC  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 1HZO9cXJ