[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) I< Rai"  
,IG?(CK|  
应用示例简述 fYgX|#Me  
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zjEv  
1.系统说明 vU, ]UJ}  
u )KtvC!  
 光源 S.NLxb/
 
— 平面波(单色)用作参考光源 .8Gmy07  
— 钠灯(具有钠的双重特性) m>-(c=3  
 组件 N,u~ZEI  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 &;oWmmvz{  
 探测器 0V?:5r<  
— 功率 &^
JY
 
— 视觉评估 ch]Q%M  
 建模/设计 =]F15:%Zq  
— 光线追迹：初始系统概览 T\o!^|8
 
— 几何场追迹+(GFT+)： qEB]Tj e[  
 窄带单色仪系统的仿真 xZ(VvINL'  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 Ov9kD0S  
UP |#WegO  
2.系统说明 w7X], auRC  
s~Od(,K  
6"U)d7^  
[)83X\CO  
3.系统参数 X8=sk  
N}j^55M_]  
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NhKqA`0  
pZe:U;bb  
oyY0!w,Y  
4.建模/设计结果 \%N | X  
3re|=_ Hy  
5\$8"/H  
C/x<_VJzN/  
总结 JOJ?.H&su  
edD"jq)J  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 6v}WdK  
1. 仿真 QGV~Y+  
以光线追迹对单色仪核校。 5KFd/9  
2. 研究 2u|}gZts  
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。 SmYY){AQ/  
3. 应用 = A;B-_c  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 1V37% D  
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。 Wg2Y`2@t  
*R^ulp[W  
应用示例详细内容  R)?zL;,x  
系统参数 pC'GKk 8  
pu +"bq  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 `*=Tf  
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。 YaDr.?  
+]%d'h  
Ge]2g0  
jTJ]: EN  
2. 系统参数 +B#3!
 
xW;-=Q  
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。 F!;0eS"xp  
~rX2oLw{&  
-Vi"hSsUP  
/U#{6zeM[,  
3. 说明：平面波(参考) n)
7olP0p  
w3=Bj  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 {D jz']  
o(I[_oUy\  
0?",dTf3i  
nsJN)Pt  
4. 说明：双线钠灯光源 ;hOrLy&O  
>}*iQq  
u8Au `  
 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。 b1}P3W  
 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)。 (f 0p   
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 q.OkZI0n  
8h#/b1\  
E(e'qL  
=_`4HDr  
5. 说明：抛物反射镜 E:N~c
'k  
y
#3mc#)k  
+ (cTzY  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ~5HI9A4^  
 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。 k@eU #c5c  
Mlp[xk|  
*FkG32k  
m>gok0{pm  
Y)>GwFK$  
)j40hrR  
6. 说明：闪耀光栅 vnXa4\Vdy  
.VVY]>bJg@  
fmvX;0O  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 h'x|yy]@3  
 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 Y#_,Ig5.  
J3fcnI  
5A:mu+Iz6H  
9d4PH  
;/W;M> ^  
TE4{W4I  
7. Czerny-Turner 测量原理 9}FWO&LiB  
~O~c^fLH(B  
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。 2B7X~t>8a  
]k%Yz@*S  
_yyQ^M/  
2;G^>BP<  
Da!A1|"  
8. 光栅衍射效率 /a\6&E
b  
ln7{c #lE  
edqekjh  
 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。 D L_{q6ZK  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 bE2^sx`(  
 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) Z;bzp3v  
AHP_B&s,Qe  
5B!l6ST  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd \iAkF`OC  
|A0LYKni  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ^zHBDRsb2F  
k+2~=#  
f0fN1
 
z!5^UD8"W  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 vBUx)l  
.Y!*6I  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 LQ"56PP<  
1Tf"<Dp  
ja}_u}:  
A1:<-TF6^p  
 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)。 D0tmNV@  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 ]lzt"[  
U(DK~#}  
应用示例详细内容 &'4id[$9  
rl9YB %P  
仿真&结果 ]S4kWq{Y  
A^2VH$j]+  
1. 结果：利用光线追迹分析 n'{cU(  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 [!4p5;  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 /c~z(wv  
SsfnBCVR  
d6-a\]gF  
FyX
\S=  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ["4h%{.  
s_-G`xT>{  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 Ln0rm9FV-  
 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)。 WF<`CQg[  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， ^$SI5WK&)  
wQ qI@  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 yf+M  
sPn[FuT>+s  
Iodk1Y;  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms tgH@|Kg  
('pNAn!]  
3. 衍射效率的评估 x):cirwkl  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 Io*`hA]  
Juj"cj
ob  
7OX5"u!2  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 qz"di~7  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd vFLQq,?Nh  
IlJ6&9  
4. 结果：衍射级次的重叠 R)d1]k8  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 x2/\%!mt  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 An!1>`8r  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 RUUV"y  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) c1M/:*?%  
 光栅方程： fOCLN$x^  
lN
#W  
ya3A^&:  
H=[eO  
w~hO)1c],:  
5. 结果：光谱分辨率 js)M c*]&  
m07= _4  
`z%f@/:fG  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 0]=|3-n  
wl H6  
6. 结果：分辨钠的双波段 z&[Rw<{Psb  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 Ecp]fUQK  
   M_*"g>Z  
iTF`sjL  
XQ]noaU  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 P2pdXNV  
0(A`Ia  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run .6aC2A]es  
@igr~hJ  
7. 总结 <dl:';@a-  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 S[(Tpk2_  
1. 仿真 U;u
@\E@2  
以光线追迹对单色仪核校。 UZ7Zzc#g  
2. 研究 Jt5\  
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。 $(B|$e^:(  
3. 应用 =V~pQbZ  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 cO%-Av~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。 =aZgq99  
扩展阅读 Uo?g@D  
1. 扩展阅读 QG {KEj2V  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。
_Y@vO  
vFm8T58 7  
 开始视频 %0l'Nuz  
- 光路图介绍 b>SG5EqU@  
- 参数运行介绍 ,]RMa\Q4Wg  
- 参数优化介绍 Q`-JRY-  
 其他测量系统示例： }-QFMPXhG  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) r(WR=D{  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Pj(DlC7G,