[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) RF~c/en  
;0Ih:YY6  
应用示例简述 d7Z$/ $  

fAR6  
1.系统说明 a!&m\+?  
 ,0i72J  
 光源 6rlM\k@!  
— 平面波(单色)用作参考光源 "ER=c3 t  
— 钠灯(具有钠的双重特性) DtZ7UX\P  
 组件 >QBDxm
  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Re1}aLd  
 探测器 )X6I#q8  
— 功率 MEtKFC|p  
— 视觉评估 Nig)
!4CG  
 建模/设计 Lp+?5DjLT  
— 光线追迹：初始系统概览 )>pIAYCVP  
— 几何场追迹+(GFT+)： o KY0e&5  
 窄带单色仪系统的仿真 7+$P6[*  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 |KSoS#Y  
y)7;"3Q<  
2.系统说明 ciN*gwI)  
QD 0p  
Tq%##  
G.^^zmsM`  
3.系统参数 ^>s{o5H&  
:
x!'Eer n  
K48QkZ_gY  
fh&Q(:ZU  
A*W/Q<~I  
4.建模/设计结果 jVSU]LU E  
't475?bY  
zH *7
!)8  
~b
9fk)z!  
总结 1+ V<-I@{  
)+a]M1j  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 9n3.Ar  
1. 仿真 X-SR0x  
以光线追迹对单色仪核校。 K3`48,`?wA  
2. 研究 e?e oy|  
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。 Rts}y:44  
3. 应用 |(5|6r3  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 VWMr\]g  
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。 %;O# y3,  
{InW%qSn_  
应用示例详细内容 i6k~j%0m  
系统参数 'uLYah  
V&d?4i4/Q  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 Rm@F9D[,  
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。 1tH#QZIT  
0"u=g)3  
QaAMiCZFR  
'>% c@C[  
2. 系统参数 :;o?d&C  
-raZ6?Zjc  
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。 $#
b  
2/l4,x  
AKAxfnaR  
?$4CgN-  
3. 说明：平面波(参考) wM#q [m;  
`u7twW*U2  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 fXAD~7T*s  
*G,r:Bnb  
Cta!"=\  
PML84*K -  
4. 说明：双线钠灯光源 2Zi&=Zj"  
Y67i\U>?  
[&{NgUgu"  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 zfUkHL6  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 fq0[7Yb  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 9q"G g?  
&sS]h|2Z5  
~;nW+S$o  
@%#!-wC-5  
5. 说明：抛物反射镜 v0|"[qGb  
E=~Ahkg  
#pX+~{  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 Bh!J&SM:  
 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。 z0 _/JwJn  
v5`Odbc=w  
K#plSD^f=  
A*3R@G*h  
OY(znVHU  
PX,fg5s\b  
6. 说明：闪耀光栅 edh<L/%D  
pPZ^T5-ks  
)hK1W\5  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 ~sc@49p  
 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 OTwXc*2u]  
ij1g2^],4  
Z!qF0UDj  
W
F
FpW{  
Jf8AKj3  
{X>U`0P  
7. Czerny-Turner 测量原理 69/qH_Y  
.@]M'S^1  
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。 BGV
y \F<  
9i#K{CkC|  
]lzOz<0q  
@GE:<'_:{  
g3,F+  
8. 光栅衍射效率 *g/@-6  
9:6d,^X  
=;A~$[g  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 _k.gVm  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 -<B{?D  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) @?"t&h  
'k[gxk|d2  
a fhZM$  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd nzO
RG  
4WV)&50  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 $Uxg$pqO  
hTbot^/  
t~"DQqE  
f^X\N/  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 {:9P4<%H  
I UxsvW+  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 4i o02qd 4  
R!LKGiN  
Dbo.N`  
;M Z@2CO  
 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)。 L #l|}u  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 `+0)dTA(g$  
15FGlO<<  
应用示例详细内容 C\dlQQ  
rfNt  
仿真&结果 ~cEr<mzR  
h/%Hk;|9  
1. 结果：利用光线追迹分析 '%"#]  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 3 e9fziQ~  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 7eg//mL"6  
lCyp&b#(L  
sIJ37;ZA  
{m%X\s;ni  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 5K*-)F ]  
Sm%MoFf  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ]& qmV  
 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)。 {XNu4d9w(  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 4q<:% 0M|  
$0zH2W  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 XDJQO /qN  
cNG6 A4  
1`_i%R^  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms %R{clbbbn  
t%AW0#TZ  
3. 衍射效率的评估 }f6x>  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 U)p P^:|  
G#! j`  
`
v)-v<  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 m H'jr$ ?  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd -3r&O:  
 iV71t17  
4. 结果：衍射级次的重叠 ;
D[b25  
 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。 !m1pL0  
 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)。 4>^ %_Xj[  
 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。 U<NpDjc"  
 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) k>Qr
14F  
 光栅方程： mHox  
.-N9\GlJ,d  
b`K~l'8  
8L 9;VY^Y  
JCZJ\f*EZ  
5. 结果：光谱分辨率 p$@=N6)I.k  
6#5@d^a  
?xX`_l  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run }~-)31e'`  
N_r*Ig  
6. 结果：分辨钠的双波段 ki^[~JS>'  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 4#=!VK8ZH  
   Pwz^{*u]  
9#6ilF:F  
|_~BV&g,N  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 j>R7OGg'  
~%Yh`c EP  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run AJ:@c7:eS  
YKl!M/  
7. 总结 qTyU1RU$9^  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Qq]UEI `Go  
1. 仿真 aM.l+D
P  
以光线追迹对单色仪核校。 M7,|+W/RK  
2. 研究 _zm<[0(  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 Ed*`d>  
3. 应用 <WBGPzVZE  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 7qXgHrr0|U  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 +Mm0
bqNN  
扩展阅读 |_[mb(<|  
1. 扩展阅读 o`j%$K4?5  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 >o>'@)I?e6  
~w[zX4@  
 开始视频 >cMU<'&  
- 光路图介绍 6nGDoW#  
- 参数运行介绍 ^#^u90I  
- 参数优化介绍 Z@C D1+G  
 其他测量系统示例： _TQt!Re`,  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ;co{bk|rj  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) $X*$,CCIB