[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) Li(}_  
;g?oU"YM  
应用示例简述 ogbLs)&+a  
" |[w.`  
1.系统说明 ?DzKqsS'  
y2gI]A  
 光源 GKu@8Ol-wu  
— 平面波(单色)用作参考光源 >0~|iRySi  
— 钠灯(具有钠的双重特性) U+CZv1  
 组件 mw!D|  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 6T! *YrS  
 探测器 fNPHc_?Ybj  
— 功率 coT|t T
 
— 视觉评估 *kY\,r&!P  
 建模/设计 v!27q*;8H  
— 光线追迹：初始系统概览 j$'L-kK+  
— 几何场追迹+(GFT+)： -D?T0>  
 窄带单色仪系统的仿真 Gu}|CFL\  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 0+jR,5|  
3%{A"^S=}
 
2.系统说明 6+u}'mSj8  
X1?7}VO  
.Qm"iOyM  
+kP)T(6  
3.系统参数 s%z\szd*  
}u:@:}8K  
j9)P3=s  
,V'+16xW  
hNgbHzW  
4.建模/设计结果 secD `]  
!#j y=A  
3B!lE(r%J  
=># S7=  
总结 T4dLuJl  
Aw9se"d  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 N7Vv"o  
1. 仿真 Tj7OV}:  
以光线追迹对单色仪核校。 4Xi _[ Xf  
2. 研究 Wj.f
$U4  
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。 @{*z1{  
3. 应用 1;?n]L`T  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 JJ`RF   
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。 d2`m0U  
Oya:{d&=  
应用示例详细内容 1Q"w)Ta  
系统参数 d.Wq@(ZoA  
^kJ(bBY  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 #$7d1bx  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 xO?w8*d  
|YCGWJaci  
vVB8zS~l ,  
IaMZ
Pl  
2. 系统参数 Lf0Y|^!S_u  
"#1KO1@G  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 c-3-,pyM_T  
"[M,PI!B  
H8.Aq\2S  
ZGO%lkZ.  
3. 说明：平面波(参考) 1bjhEOW  
?#~3%$>  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 aVkgE>  
~Sy/q]4ys*  
dd1CuOd6(1  
4M4Y2fBH  
4. 说明：双线钠灯光源  h0}r#L  
'-C%?*ku  
!SRElb A;i  
 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。 &Ui*w%  
 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)。 wJ#fmQXKJ5  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 Mh [TZfV  
^ [FK<9  
z H$^.1  
(ndXz  
5. 说明：抛物反射镜 "<['W(  
tg =ClZ-  
t8SvU  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 %c+`8 wj  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 7> ~70  
X*f#S:kiNU  
,36AR|IO)  
w_zUA'n+  
.Ukejx  
v C,53g  
6. 说明：闪耀光栅 'dJ#NT25  
obA}SF  
]?KTw8j}  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Jv_KZDOdk  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 0X \OQ;  
2J7= O^$?  
;rwjqUDBz  
[I6(;lq2  
X}"Ic@8  
aC$-riP,?'  
7. Czerny-Turner 测量原理 RNa59b  
>4I,9TO  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 aqL#g18  
UqVcN$^b  
&lbZTY}  
{jyI7r#X  
$H\[yg>4  
8. 光栅衍射效率 O5rHN;\_  
z=\y)'b  
#fB&Hv #s7  
 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。 ;/-v4  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 V2Iqk]V%y  
 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) q47
>RWMh%  
hA?Flq2QV  
;4(ULJ*  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 18`YY\u(  
n8h1SlK08  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 T"h@-UcTl  
FYwMmb ~3  
_xKuEU}  
h=?V)WSM  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 Rgstk/1  
ojmF:hR"  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 mGZJ$|  
31VDlcnE  
rC!!X  
r6,EyCWcCs  
 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)。 X283.?  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 bQ%6z}r  
B=ckRWq  
应用示例详细内容 ;`")3~M3*  
vJ +sdG  
仿真&结果 Fx@ovI- 5  
g4eEkG`XTS  
1. 结果：利用光线追迹分析 3t4
i2]  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Xmmb^2I  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 H[WsHq;T+9  
<w,NMu"  
|\}&mBR  
FRBW(vKE  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd Ee~<PDzB  
@PQ% xcOC7  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 kT@m*Etr{  
 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)。 y 4 wV]1  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， m{v*\e7
P  
h0cdRi  
 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。 '3i,^g0?t0  
_YK66cS3E/  
*XU2%"Sc  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms =~DQX\  
A,'F`au  
3. 衍射效率的评估 +UM%6Z=+  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 }O+a  
@%^JB  
ShIJ6LZ  
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。 LJ8 t@ui  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd >eC>sTPQ{  
sBq-"YcjR  
4. 结果：衍射级次的重叠 XfYbWR  
 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]\zO %  
 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)。 f0|wN\  
 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。 +QW|8b  
 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) R/WbcQ)  
 光栅方程： 3|0wD
:Dy  
c%+_~iBUN  
 5(\H:g\z  
f=EWr8mno  
+^cjdH*  
5. 结果：光谱分辨率 5%jy7)8C  
{y%|Io`P  
u~~H'*EM  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 2CF5qn}T  
Wt M1nnJp  
6. 结果：分辨钠的双波段 "?M)2,:A  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 Y6E0-bL@Fe  
   V<i_YLYmJe  
Y-s6Z\  
'Ul^V  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 6QYHPz  
96d&vm~m1  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run Djr/!j
  
]@
6L,+W"  
7. 总结 q&kG>  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 _B?Hw[cc  
1. 仿真 pt%*Y.)az  
以光线追迹对单色仪核校。 [OYSNAs*y  
2. 研究 d6f T  
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。 bIXD(5y
 
3. 应用 ?dyt!>C  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 6W/uoH=;  
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。 %D49A-R  
扩展阅读 ~='}(Fg:  
1. 扩展阅读 [85b+SKW  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 }a"
koL  
C*stj  
 开始视频 `$Y%c1;  
- 光路图介绍 iLO,XW?d v  
- 参数运行介绍 9yK\<6}}QH  
- 参数优化介绍 oi7Y
?hTj  
 其他测量系统示例： .^wBv 'Y  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) "#.L\p{Zy  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) v@,`(\Ca'