[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) /Z\zB  
6Bs_" P[  
应用示例简述 F*}b),  
ARslw*SJ  
1.系统说明 IhUuL0  
6Ba>l$/q  
 光源 ;0@"1`  
— 平面波(单色)用作参考光源 \}Hk`n)Aq  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 2_UH,n  
 组件 !SVW}Q=5#  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 ZN
^9w"A  
 探测器 'v4AM@%u  
— 功率 {d=y9Jb^  
— 视觉评估 vw3%u+Z&  
 建模/设计 uI.4zbgl[  
— 光线追迹：初始系统概览 #uKHw2N  
— 几何场追迹+(GFT+)： Ro?yCy:L'  
 窄带单色仪系统的仿真 =yk#z84<  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ,X+071.(  
{_PV~8u  
2.系统说明 v^JyVf>  
B7va#'ne4{  
CEt_wKzf  
\U p<m>3
\  
3.系统参数 !dGy"-i$h  
">NBPanJ  
lAV6z%MmM  
.b5B7x}  
7-bU9{5  
4.建模/设计结果 P6;L\9=H<  
7?b'"X"  
BB=%tz`B  
QR<IHE{~8  
总结 7vgz=- MZ#  
DS-Kot(k(z  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 "0nto+v  
1. 仿真 X=_N7!  
以光线追迹对单色仪核校。 v-4eN1OS  
2. 研究 i7:j(W^I8  
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。 fytgS(?I'  
3. 应用 YgrBIul  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 RVX-3FvP  
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。 dAohj QH:  
N!^U{;X7/  
应用示例详细内容 %q(n'^#Z.y  
系统参数 Qq^>7OU>Co  
866n{lyL  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 &&TQ0w&T
 
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。 b'uH4[zX%  
<c^m
|v  
L)4TW6IUk  
o=4d2V%m  
2. 系统参数 0|HD(d`a  
tJ[Hcx*N  
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。 V1;n5YL  
~{oM&I|d8  
=M ?  
=)(sN"%  
3. 说明：平面波(参考) _K8ob8)m  
i{!i%`"  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 w~X1Il7A  
cPkN)+K  
K%$%9y  
UvxJ _  
4. 说明：双线钠灯光源 ES<"YF  
5}E8Tl  
teQ%t~PJ-&  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 qGr(MDLc  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 WwPfz<I  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ~g~z"!K  
aZ@Ke$jD  
_hM3p  
-D`*$rp,  
5. 说明：抛物反射镜 X#Ajt/XQ  
'$UlJDZ  
_Z@- q  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 /@Y/(+DE  
 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。 ] +LleS5  
a&M{y  
(KK9/k  
J}nE,U
2  
39BGwKXb  
-_4U+Cfmtl  
6. 说明：闪耀光栅 =VH, i/@  
hF.9\X]  
Ti=~ycwi  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 KaZ$!JfT  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 th2a'y=0  
9=&LMjTQ  
8m2-fuJz  
v;80RjPy>  
"
P~07  
0' @^PzX  
7. Czerny-Turner 测量原理 MrXhVZ"d*  
U(3{6^>Gc  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 >s1'I:8  
r~si:?6:  
??C
tmH  
Q!(C$&f  
.u>IjK^  
8. 光栅衍射效率 a#nVRPU8m  
3BDAvdJ4.  
`u3to{  
 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。 e #>wv]V  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 tT ~}lW)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) W
8'cAY  
^^qB=N[';  
,)@Q,EHN;  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd g PU|Gv5  
i<YatW~Pu  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 k^
}8=,j}  
pE[ul  
b?hdWQSW7  
y<.0+YL-e+  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 zZ3,e L  
Rf+ogLa=  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 /8VM.fr$  
z)='MKrEt-  
^
z-e"  
s/ibj@h  
 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(2FM)#  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 R%Gh4y\nF  
:[3{-.c  
应用示例详细内容 }nvHEo  
q+>J'UGb  
仿真&结果 N 3i,_  
OW<i"?0  
1. 结果：利用光线追迹分析 a)$"  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 0K <@?cI  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 RY2`v pv  
1a;Le8  
<03@cs  
~+d?d6*c  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd //2G5F;  
u>Z;/kr  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 yd2v_  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 6q RZ#MC  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， JEL=,0J  
aL$m  
 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。 ?vuM'UH-  
,R5NKWo  
oM/(&"  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms uvz}qH@j/Q  
??5qR8n.  
3. 衍射效率的评估 4h\MSTF*  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 uh*b[`e  
{|c <8  
R,-y  
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。 Mt(wy%{zK  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ("<3w2Vlh  
/.l8Jb4  
4. 结果：衍射级次的重叠 xWWfts1t  
 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。 &2C6q04b  
 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)。 c+c3C8s*8  
 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。 Kf2Ob1  
 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) -} \g[|  
 光栅方程： w-*$gk]  
9oKRnc  
jU |0!]  
9`yG[OA  
*xR;}%s\  
5. 结果：光谱分辨率
h<U<KO  
,rVm81-2  
<yz)iCU?  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run "
vQ$RW -  
"v@$CR9<T  
6. 结果：分辨钠的双波段 dIgaw;Ch]  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 NXb_hF  
   o<ak&LX`9  
-fIX6  
QNj hA'[T  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ":E 7#9  
ig:,:KN  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run NPc]/n?vDj  
Jy?s'tc  
7. 总结 ikf!7-,  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 fx(^}e  
1. 仿真 $o"Szy  
以光线追迹对单色仪核校。 ,Q!sns[T  
2. 研究 RO?5WJpPj  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 :c3}J<Z  
3. 应用  F* "  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 %S
uEfCM  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 {)nm {IV,  
扩展阅读 G&$+8r  
1. 扩展阅读 Q/&H3N  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Y^$^B,  
HEHTj,T  
 开始视频 n*~=O'  
- 光路图介绍 # le<R  
- 参数运行介绍 Hf!o6 o  
- 参数优化介绍 qDZ?iTHQq  
 其他测量系统示例： UUi@ U  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) xp-.,^q\w  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Z ?`