[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) J"0`%'*/  
oh4E7yN  
应用示例简述 6,pnw  
,V7nzhA2  
1.系统说明 B`EJb71^Xy  
n'"/KS+_  
 光源 AzPu)  
— 平面波(单色)用作参考光源 T~-ycVc  
— 钠灯(具有钠的双重特性) irZ]
)a  
 组件 |44Ploz2b  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 R7%#U`Q^A  
 探测器 \UA[  
— 功率 C2!|OQ9A2  
— 视觉评估 .7J#_*NV  
 建模/设计 wH*-(*N"  
— 光线追迹：初始系统概览 28-RC>,@}  
— 几何场追迹+(GFT+)： YqscZ(L:y  
 窄带单色仪系统的仿真 z'Hw  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 @@f"%2ZR[  
GblA
9F7  
2.系统说明 "69s)~  
*
;W+>W  
O2V  
!t"4!3  
3.系统参数 y RqL9t  
|]bsCmD  
aj='b.2)  
q
])K,)  
Xg6Jh``  
4.建模/设计结果 ROI7eU  
{p2!|A&a  
 m!!/Za  
<sbu;dQ`  
总结 70?\ugxA  
)D O?VRI  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 r `=I  
1. 仿真 M/f<A$xx_  
以光线追迹对单色仪核校。 E_rI?t^  
2. 研究 #^0R&) 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。 q1x`Bj  
3. 应用 zpn9,,~u  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 9cbd~mM{  
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。 i}f"yO+Q+  
RNk\.}m  
应用示例详细内容 >58YjLXb  
系统参数 K-)] 1BG  
xK[ou'  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 uh0VFL*@  
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。 ,Zx0%#6  
P8:dU(nlW  
~7w"nIs<c  
v
4TQX<0s  
2. 系统参数 C}j"Qi`  
g/d<Zfq<{  
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。 #lo6c;*m5  
6Igz:eX  
2QcOR4_V  
5DU6rks%
 
3. 说明：平面波(参考) y-b%T|p9  
VBlYvZ;$*  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 n+9=1Oo"  
N
N{?z!  
eb{nWP  
)AtD}HEv  
4. 说明：双线钠灯光源 !
PlEO 2at  
xj)F55e?  
O`kl\K*R7  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 e2Pcm_Ahv*  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 t>RY7C;PuS  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 yxQ1`'[CR  
?4}h&/  
ub0.J#j@  
sE<V5`Z=  
5. 说明：抛物反射镜 Q$W  
fplow  
05#1w#i  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 1-uxC^u?|#  
 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。 pU}(@oy  
NiEUW.0  
s c,Hq\$&  
\:'/'^=#|  
Q8tL[>Xt  
Jt<_zn_FG  
6. 说明：闪耀光栅 H2\;%
K 2  
)EuvRLo{S7  
P1 8hxXE3  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 &{hL&BLr  
 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 mDABH@R  
ah&D%8E  
`AtBtjs RV  
X7MM2V  
U$.@]F4&  
T*Exs|N2P-  
7. Czerny-Turner 测量原理 u%KTNa0  
P )"m0Lu<  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 #Y`~(K47  
AT
3cc  
x /S}Q8!"}  
7kLz[N6Ll  
KP^V>9q  
8. 光栅衍射效率 /4V#C-  
6I4\q.^qw  
qJs<#MQ2  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 wu!59pL  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 sqwGsO$#  
 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) zkrM/ @p#  
6 7.+ .2  
3{64 @s  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd [A~xy'T  
%D34/=(X  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 [wOn|)& &  
9';JXf$  
ItVWO:x&v  
'R
R~7h  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 Id'-&tYG  
B\=8
_z  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 . B9iLI  
Jb@V}Ul$  
\;3~a9q%  
||= )d&  
 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)。 J.b9F:&}  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 AaOuL,l  
)gIKH{JYL  
应用示例详细内容 Q7\w+ANf0  
*8Xh(` Mj7  
仿真&结果 _\G"9,)u'  
 hoUD;3  
1. 结果：利用光线追迹分析 *[Tz![|  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Y@vTaE^w3  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Y|f[bw  
,, OW  
5E;qM|Ns  
c /HHy,  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd xb~yM%*c  
EStB#V^  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ,X-bJA@(  
 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)。 O)*+="Rg  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， HGs $*  
85:=4N%  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。  I<mV+ex  
TH&U j1  
u(>^3PJ+  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms jh%Eq+#S  
z6=Z\P+  
3. 衍射效率的评估 gnOt+W8  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 wPd3F.<$  
L^2%1GfE{  
Lv;^My  
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。 4{U T!WIi  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd W
0@n/U  
/sx&=[ D  
4. 结果：衍射级次的重叠 wr/"yQA]  
 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。 HZC"nb}r4  
 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)。 {yHCXFWlS  
 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。 P6-s0]-g  
 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) ghG**3xr  
 光栅方程： rNWw?_H-H(  
zm5]J  
u<tbbKM  
q]ku5A\y  
+US!YU  
5. 结果：光谱分辨率 !Y0Vid  
&tLgG4pd  
(&F}/s gbi  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run }%ojw |  
0WW2i{7`U  
6. 结果：分辨钠的双波段 |P HT694Uz  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 rxvx  
   {tuYs:  
.PIL +x*]N  
np"\19^  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ~F|+o}a`  
3=P]x;[ba  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 45@ I*`  
u"cV%(#  
7. 总结 +K:
Dx!9  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 }_M~2L?i  
1. 仿真 y*jp79G  
以光线追迹对单色仪核校。 T= y}y  
2. 研究 Cx@);4arj  
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。 `!;_ho  
3. 应用 / |;RV"  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 abmYA#  
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。 r"3=44St  
扩展阅读 FF`T\&u  
1. 扩展阅读 lHY+}v0  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 v!-/&}W)1  
.LnGL]/  
 开始视频 Eak$u>Fd8c  
- 光路图介绍 w>s,"2&5J  
- 参数运行介绍 i4Q@K,$  
- 参数优化介绍 KEo,m  
 其他测量系统示例： E1aHKjLQ  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) *MFIV
02[N  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) FBe;1OU