[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) m2 OP=z@)  

j7i[z>:Y  
应用示例简述 2Gx&ECa,  
<iTaJa$0m  
1.系统说明 8IVKS>  
6v.*%E*P  
 光源 8^HMK$  
— 平面波(单色)用作参考光源 R(hqBa/V  
— 钠灯(具有钠的双重特性) |&C.P?q  
 组件 3L#KHTM  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 ^%C.S :  
 探测器 fPspJug  
— 功率 8XTVpf4  
— 视觉评估 !WrUr]0IP  
 建模/设计 <Q%o}m4Kt  
— 光线追迹：初始系统概览  EI+.Q  
— 几何场追迹+(GFT+)： Z|3l2ucl  
 窄带单色仪系统的仿真 /TpM#hkq/2  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 IU3OI:uq  
r{Xh]U&>k  
2.系统说明 (z"Cwa@e  
D3MuP p-v  
g*8sh  
CjIkRa@!x  
3.系统参数 Kw'A%7^e  
R`/nsou  
8 v&5)0u  
zQ7SiRt7*  
-V<i4X<|,+  
4.建模/设计结果 d<#Xqc  
4R^'+hy|?  
T0Y=g
n  
o.sa?*  
总结 A*@!tz<  
.-nA#/2-  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 =#uXO<   
1. 仿真 RN!oflb  
以光线追迹对单色仪核校。 ` R^[s56wp  
2. 研究 CK
.Z-_M  
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。 b7HS3NYk  
3. 应用 2W|j K  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 lOYwYMi  
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。 :#b[gWl0Ru  
+dR$;!WB3  
应用示例详细内容 v!40>[?|p  
系统参数 ptrLnJ|%  
|L0s  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 q"fK"H-j  
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。 $zDW)%nAX  
u5%.T0 P  
Lv#DIQ8y  
{5_*tV<I  
2. 系统参数 K2)),_,@5+  
G4ZeO:r  
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。 l6a,:*_  
{8b6A~/  
6rdm=8WFA  
`/0X].s#o  
3. 说明：平面波(参考) c1e7h l  
5AQ $xm4  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 nwW`Q>+#U  
^d-`?zb  
;J2=6np  
7nfQ=?XNK  
4. 说明：双线钠灯光源 Ma wio5  
3u-j`7  
T4._S:~  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 K*p^Gs,  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 %
vn rLt$  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 Hd6Qy {,*-  
A*E$_N  
Jg|
/*Or  
q'{E $V)E  
5. 说明：抛物反射镜 0=7C-A1(D  
;nSaZ$`5  
/ijj;9EB  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ld`oIEj!P_  
 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。 42 8kC,  
a&4>xZU #  
jbfMTb4  
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kLADd"C  
L 'H1\' o  
6. 说明：闪耀光栅 ,,b_x@y*  
T?_$  
3|g'1X}  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 ^vJ08gu_W  
 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 r'k-*I  
E#8`X  
HrWXPac A  
%e:VeP~  
V#C
[I~l  
19&!#z  
7. Czerny-Turner 测量原理 e#SNN-hKsJ  
!j(v-pQf"  
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。 `{8Sr)  
i#&]{]}Qv  
k h#|`E#,  

N]}L*o&  
;sCX_`t0E  
8. 光栅衍射效率 2t/ba3Rfk  
!#g`R?:g  
(\,mA-%E  
 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。 (Q\QZu@  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 <fWho%eOK  
 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) %\Ig{Rj;  
D("['`{  
XOVZ'V  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd "kVN|Do  
5qR76iH)/  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 OJQ7nChMm  
J1yy6Wq3
[  
PBR+NHrZ  
c;BQ$je}  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 Nr6YQH*[  

u;J9aKD  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 Su-LZ'C\  
fh:=ja?bM3  
L&
q~5 9  
;@ %~eIlu  
 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)。 hFs0qPVY  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 R qOEQ*k  
yV=hi?f-[V  
应用示例详细内容 !fyE Hk  
;x|4Tm  
仿真&结果 W^P%k:anK  
qm@c[b  
1. 结果：利用光线追迹分析 :G$NQ*(z  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 %t:1)]2  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 j#<#o:If  
K\,&wU  
]l}8  
wF$8#=  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd NJLU+byU  
qA Jgz7=c  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 E':y3T@."  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 h:Npi `y  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， =HYMX"s  
?gH[tN:=  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 5-5qm[.;  
FV!  
~$YFfv>  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms &.K=,+0_R/  
*.n9D  
3. 衍射效率的评估 HaJD2wvr  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 6n45]?  
|P>> ^,iUn  
J:5%ff~r\  
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\  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd OfbM]:}<3  
4}LGE>  
4. 结果：衍射级次的重叠 QJvA  
 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。 5 S7\m5  
 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]Nq|XK  
 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。 #0hX)7(j  
 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) b?h"a<7  
 光栅方程： 8.'%wOU@A  
y85GKysT  
u`R  
cQS}pQyYN  
Jg/WE1p>  
5. 结果：光谱分辨率 ^A;v|U  
`SFI\Y+WDT  
9iUkvnphh  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run mY |$=n5X  
"<txg%j\J  
6. 结果：分辨钠的双波段 |A[Le ;,  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 E.}T.
St  
   L+9a4/q  
r}pYm'e  
^#vWdOlt  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 H [R|U   
cuW$%$F  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run lHT?  
: -te  
7. 总结 5lVDYmh  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ,^`+mP  
1. 仿真 f.,S-1D]h  
以光线追迹对单色仪核校。 GwxfnCKi9  
2. 研究 7:9
WiN5b  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 7o'kdYJzo  
3. 应用 87r#;ND  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 `:R8~>p  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 u2@:[:Ao  
扩展阅读 4B^f"6'  
1. 扩展阅读
S^a")U4  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 #e{l:!uS\  
"N D1$
l  
 开始视频 #9
2MI#|n9  
- 光路图介绍 vqJiMa j@Z  
- 参数运行介绍 A@f`g[q  
- 参数优化介绍 g()YP  
 其他测量系统示例： [ !].G=8  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) Bd31> %6  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) WVir[Kv%