[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) #Hm*<s.  
P&PPX#%  
应用示例简述 ~<b/%l>h1  
0].x8{~o  
1.系统说明 p0Cp\.  
l(X8 cHAi  
 光源 &6!~Q,;K-  
— 平面波(单色)用作参考光源 S |SN3)  
— 钠灯(具有钠的双重特性) #sl_ BC9  
 组件 o!.\+[  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 {z)&=v@  
 探测器 ;{1J{-
EA  
— 功率 l|#WQXs*c{  
— 视觉评估 4.]xK2sW  
 建模/设计 (eX9O4  
— 光线追迹：初始系统概览 1 o<l;:  
— 几何场追迹+(GFT+)： ,#=ykg*~/  
 窄带单色仪系统的仿真 ,Qvclu8r  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 -dX{ R_*  
Ki#({~  
2.系统说明 ~F5JN^5Y  
b=:$~N@Y  
GdZ_  
z{h#l!Edh  
3.系统参数 8`bQ,E+2  
f8]Qn8  
Hx;ij?  
 ?39B(T  
9o-fI@9  
4.建模/设计结果 eL)* K>T  
Wxjv=#3  
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rBBA`Ut@F  
总结 ;zy[xg
.7  
U?/UW;k[  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 f1R&Q  
1. 仿真 >dH5n$Gb  
以光线追迹对单色仪核校。 piIr.]  
2. 研究 j.C)KwelBS  
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。 9G8n'jWyY  
3. 应用 8o' a  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 GKPC9;{W  
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。 x+~IXi>Ig  
]W,K}~!
 
应用示例详细内容 _n9+
(X3  
系统参数 P3[+c4  
+R7";.  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 e|wH5(V  
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。 rE?(_LI  
eF5?4??  
nnBgTtsC]  
|7IlYy&:  
2. 系统参数 8+^?<FKa  
<0[{Tn  
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。 GH%'YY3|  
xl5n(~g)p  
@\gTi;u/x  
6T%5vg_};'  
3. 说明：平面波(参考) nJ/wtw  
z1\G,mJK  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 %qA +zPf  
[BS3y`c  
g*UI~rp  
j!r4p,  
4. 说明：双线钠灯光源 OCy\aCp  
f.
Y9gkt3d  
@Z$`c{V<  
 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。 iQ= %iou  
 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)。 $cO"1mu  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 i<D}"h|  
QZufQRfr{  
V43pZ]YZ>  
t+0&B"  
5. 说明：抛物反射镜 e_J_rx  
s{q)m@  
fShf4G_w\  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 K?')#%Z/{#  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 oRM EC7!A0  
I`h9P2~  
N"|^AF  
]ABpOrg  
GE$spx  
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#@H  
6. 说明：闪耀光栅 b5YjhRimS  
k4_Fn61J/  
Auhw(b>}TW  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 }~lF Rf
 
 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 HMNjQ 1
y  
#bPio  
{! RW*B  
iV#JJ-OBq  
9vL`|`Vau  

6w K=  
7. Czerny-Turner 测量原理 =SLP}bP{:  
<FH3ePz  
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。 rtDm<aUh  
@f0~a  
84P^7[YX>  
)rD] y2^<  
/ /qTMxn  
8. 光栅衍射效率 _1*EMq6  
E66e4?"  
JGZ,5RTq4-  
 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。 zdn e2  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 b@N|sXt&C  
 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) _jef{j  
wd*i~A3+?  
T4T_32`XR  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd ?)
Lktn9%  
4UoUuKzt  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 v:CYf_  
DVD}  
V~5vVY_HG&  
aEX;yy*  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 [7]p\'j  
Kv+E"2d  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 u7@|fND 7  
~/[cZY@  
>0+m  
'2zo  
 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)。 MLmc]nL=  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 .D^
k0V  
F=B>0Q5  
应用示例详细内容 ? $pGG  
ZcX%:ebKS  
仿真&结果  AO;+XP=  
BmUEo$w  
1. 结果：利用光线追迹分析 ]V]~I.  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 M O* m@  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 =0,")aa!  
u 8U>R=M  
hr@KWE`  
>?M:oUVDU  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 7H[#  
P>L-,R(7e  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ekI1j%fO  
 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)。 0Qw?.#[9  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， EPI mh  
(h/v"dV;  
 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。 O:r<es1  
*v:+AE  
a>sUq["  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms |Y/iq9l  
lhQ*;dMj%"  
3. 衍射效率的评估 LLgN%!&  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 ,Q(n(m'  
]lQhIf6)k  
VbBZ\`b  
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。 G7%Nwe~Y  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 9]|[z{v'>l  
PKdM-R'Z  
4. 结果：衍射级次的重叠 jc;&g)Rv  
 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。 l:Ci'=  
 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)。 PhKJ#DRbr  
 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。 JEY%(UR8  
 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) sdS<-! %u4  
 光栅方程： ),bdj+wr78  
yuFuYo&[?v  
plfz)x
3  
,X$S4>  
_PNU*E%s<  
5. 结果：光谱分辨率 hpWAQ#%oHm  
*PL+)2ob  
aH"tSgi  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run gADt%K2#Z  
$C#~c1
w  
6. 结果：分辨钠的双波段 F\-qXSA  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 jGI!}4_  
   '-w G  
e yTYg  
XFK$p^qu  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 \FVR'A1  
9Od Kh\F (  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run v~uwQ&AH  
lt,x(2  
7. 总结 ?_<ZCH  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 CoJaVLl  
1. 仿真 {j:{wW.  
以光线追迹对单色仪核校。 zK
fb  
2. 研究 1+#Vj#  
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。 4Iy\   
3. 应用 e5`{*g$i).  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ynP^|Ou  
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。 Qt>yRt  
扩展阅读 f+<-Jc  
1. 扩展阅读 2vj)3%:7#E  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 8{?Oi'-|0  
%HYC-TF#  
 开始视频 8(Z*Vz uu  
- 光路图介绍 Zls4@/\Q  
- 参数运行介绍 /jj}.X7yH  
- 参数优化介绍 9QY)<K~a  
 其他测量系统示例： qY14LdC}~  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) d8]6<\g  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) D"A`b{z