[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) PEWzqZ|!;  
?,NAihN]  
应用示例简述 _e'mG'P(  
K+\hv~+@  
1.系统说明 (}:xs,Ax  
%9lxE[/  
 光源 #59zv=  
— 平面波(单色)用作参考光源 HL?pnT09  
— 钠灯(具有钠的双重特性) .EcMn  
 组件 PjHm#a3zg%  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 6yb<4@LOb  
 探测器 ~
I<y^]2{  
— 功率 ?]z ._I`E  
— 视觉评估 0#JBz\  
 建模/设计
kD>vQ?  
— 光线追迹：初始系统概览 -%.V0
=G(Z  
— 几何场追迹+(GFT+)： G!\xc  
 窄带单色仪系统的仿真 FuKNH~MevQ  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 *l//r V?l  
F0\ry "(t  
2.系统说明 hG^23FiN  
H[r0jREK  
S6mmk&n  
tTgW^&B  
3.系统参数 #vSI_rt9I  
wOOPWwk  
8'_Y=7b0Nw  
T!PX?  
kQ8WO|
bA  
4.建模/设计结果 rx/6x(3  
m5Kx}H~  
[7V]=] p  
3[0:,^a  
总结 .p`'^$X^  
r.^&%D  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ZTZE_[  
1. 仿真 n&]w* (,  
以光线追迹对单色仪核校。 fm0(  
2. 研究 jH1~Ve+q9  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 [w f12P  
3. 应用 \4k*Zk  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 qE}YVKV*  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 e=jO_[  
.Q@"];wH  
应用示例详细内容 _u$K Lqt/,  
系统参数 =&b[V"  
R 28*  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 
v%5(-  
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。 DF2&j!  
 4&D="GA  
1tW:(~=a;  
IJ;*N  
2. 系统参数 =6&D4~R  
S)yV51^B  
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。 ub5
hX{uT  
s 'xmv{|  
?C35   
`'WLGQG  
3. 说明：平面波(参考) 5g5NTm`=<  
*.g?y6d  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 Z >=Y  
Sj?sw]3  
G>QTPXcD  
%SCu29km  
4. 说明：双线钠灯光源 lvi:I+VgA  
/MH@>C _  
;!?K.,N:N  
 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。 J-F_XKqH  
 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)。 <>_WdAOuD  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 L0tK
Ipk  
S8m&Rj3O&  
KTt$Pt/.  
zD<9A6AB  
5. 说明：抛物反射镜 Q%Q?q)x  
&Q>'U6"%  
u V7Hsg9l  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ~e9INZe-j  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 mcr#Ze  
7G/|e24  
F*VMS  
ZGhoV#T@  
4&hqeY3  
^]&{"!  
6. 说明：闪耀光栅 [[h)4H{T  
-i5g 8t'  
u7Y< ~  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 92VX5?Cyg  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 Gcz@ze  
MmH_gR  
L^1q/4${  
NP'Ke:  
e-3pg?M  
Ks2%F&\cE  
7. Czerny-Turner 测量原理 pm@Z[g  
AO$PuzlLh  
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。 zN/~a
)  
#UCQiQfP  

vx}Z  
&iy(oM  
r5fkt>HZ  
8. 光栅衍射效率 ZHECcPhz  
fhIj+/{_O  
GtJ*&=(  
 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。 I@Z*Nu1L  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 Bye@5D  
 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) 8t:&#h  
oEoJa:h  
m:fouMS  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 0k0c   
>ydb?
 
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 <`j[;>O  
m4SXH> o  
bL],KW;Q  
^iRwwN=d  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 m2q;^o:J  
,9tbu!Pvq  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 6Y_O^f  
*8X9lv.Z  
@*O{*2  
8<wuH#2<y  
 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)。 d3=6MX[c  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 #C;zS9(]B  
:Mu8W_  
应用示例详细内容 LF)a"Sh  
l9NOzAH3  
仿真&结果 a$zm/  
MRg\FR2>1  
1. 结果：利用光线追迹分析 2C33;?M  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 `TD%M`a  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Prb_/B Dd  
X]pWvQ Q]  
7|M
$W(P  
A6UdWK  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd +.(}u ,:8  

|Iok(0V  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 DPS1GO*  
 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)。 RnA&-\|*  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 9
p\Hx#^  
MpIw^a3(r  
 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。 mj~N]cxB  
Y =g>r]2  
E/
8u'
 
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ^0x.'G?  
/pIb@:Y1?  
3. 衍射效率的评估 ICl_ eb  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 NM1cyZ  
> 0Twr  
ua$k^m7m5  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 p17|ld`  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd {GQ Aa  
~ACP%QM=  
4. 结果：衍射级次的重叠 tFvgvx\:  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 Cb )=n6  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 x?f0Hk+  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 jW1YTQ  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) _<%\h?W$  
 光栅方程： E)80S.V  
8yE%
X!E  
R?bn,T>  
KcmDF4C2
 
4C,kA+P  
5. 结果：光谱分辨率 Z[})40[M  
+24|_Lx0  
B-\,2rCCZ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run |B%BwE  
)RA\kZ"  
6. 结果：分辨钠的双波段 K9C@dvFH  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 dXhCyr%"6  
   1#>&p%P!  
N#RD:"RS!  
9raHSzK@d  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 @)OnIQN~  
Q\o$**+{  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run u>,lf\Fgz  
2AXF$YjY
 
7. 总结 om".j  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 DOF?(:8Y  
1. 仿真 [j:}=:feQ  
以光线追迹对单色仪核校。 VMxYZkMNd_  
2. 研究 ){O1&|z-
 
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。 i!S
W?\  
3. 应用 FylWbQU9  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 I;kf #nvao  
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。 /'&.aGW4%  
扩展阅读 ";)r*UgR{B  
1. 扩展阅读 I"8d5a}  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Ynv9&P  
*D=K{bUe'  
 开始视频 69[V <1  
- 光路图介绍 \#\`!L[1  
- 参数运行介绍 U;x1}eFT  
- 参数优化介绍 %rM-"6Q  
 其他测量系统示例： 9,S,NvSq  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) pG,<_N@P  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) FasI'Ulk