[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) rYJvI  
=k z;CS+  
应用示例简述 *?K=;$  
{U9jA
_XX  
1.系统说明 5I14"Qf  
&knnWm"  
 光源 2_Qzc&"[ 4  
— 平面波(单色)用作参考光源 03PVbDq-  
— 钠灯(具有钠的双重特性) %M`&}'6'  
 组件 pFuQ!7Uk  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 dGg+[?  
 探测器 [*(MI 9WM  
— 功率 E:ytdaiT  
— 视觉评估 b8Qm4b?:4  
 建模/设计 @?U5t1O<  
— 光线追迹：初始系统概览 uH#NJoRO  
— 几何场追迹+(GFT+)： = N#Ww
NC  
 窄带单色仪系统的仿真 pP#?|  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ?g&]*zc^\  
&zR}jD>  
2.系统说明 SV~xNzo~  
$lQi0*
s  
U7W ct %  
Z7v~;JzC#  
3.系统参数 P|?z1JUd  
.&ZVy{uP  
&P;x<7h$t?  
ATU@5,9  
@P-7a`3*  
4.建模/设计结果 d3\8BKp  
`C1LR,J  
sM-*[Q=
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G~PP1sf  
总结 "YBA$ef$  
>@X=E3  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 OKP?^%kD  
1. 仿真 M$)+Uo2  
以光线追迹对单色仪核校。 /X?Nv^Hy  
2. 研究 %wO~\:F8  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 N  P"z  
3. 应用 -nW{$&5AF  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 >iCMjT]4  
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。 %bsdC0xM  
kB 2bT}  
应用示例详细内容 1Nz\3]-  
系统参数 G`n-WP  
X
:Zqgf  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 XEuv aM  
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。 [Yv5Sw  
Ub"\LUu  
eZv0"FK X  
4eKJ\Q=nX5  
2. 系统参数 #G,e]{gs  
'fB`e]_  
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。 ]Cj&C/(  
B5cTzY.h-  
qHj4`&  
#\jPBLc  
3. 说明：平面波(参考) Eg9502Bl~8  
RHxd6Gs"  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 dug RO[  
G$Dg*<  
%6n;B|!  
Wj3H  y4  
4. 说明：双线钠灯光源 2vwT8/  
H$;\TG@,  
8dpVB#]pp,  
 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。 R'F|z{8  
 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)。 w8E,zH  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 \KEL.}B9E  
X[|>r@Aa!  
*D'VW{  
FUH1Z+9  
5. 说明：抛物反射镜 ILQg@Jl  
ed{9UJWh  
wjl?@
K  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 aCMcu\rd  
 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。 Q.N^1?(>k  
Y8d%L;b[D  
Q=dR[t>^  
u66w('2  
r8xH A  
E>ev/6ox  
6. 说明：闪耀光栅 46
4Z0C  
|XsW)/  
# WxH  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Uq&|iB#mF  
 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 FrVD
~;  
l/`Z+];  
l0 1Lg6+S  
Fm@GU  
.
-r 1.'.A  
 Op|Be  
7. Czerny-Turner 测量原理 [-%oO  
4Qw!YI#40$  
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。 H95VU"  
1 4|S^UM$  
)~J/,\  
cO<x:{`  
%=|I;kI?  
8. 光栅衍射效率 j/W#=\xz  
Z?b. PC/  
v\<`"  
 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。 wU=(_S,c  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 _[<I&^%  
 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) ?GFVV->i  
gcz1*3)  
'Hq}h)`  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd fpzTv3D=I  
lr|-_snx2  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 f[z#
=z
v  
V9MA)If>  
Xc@4(Nyp  
<}e<Zf!  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 kAAz|dhL-  
B (BWdrG  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图
yn7n  
\=QG6&_  
aB$Y5  
!|}>Y  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 Zw }7vD0  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 wwF20  
c,+oH<bZZs  
应用示例详细内容 D6 M:pIN*  
6I>
W(_T  
仿真&结果 <=0_[M  
%7{
6>6%  
1. 结果：利用光线追迹分析 ){6;o&CC:  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 YT-t$QyL  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 No[>1]ds  
d29]R.  
*<9p88FpDU  
79i>@u%  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd {i=qx#2X?H  
ljNd!RaB  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 8sL7p4  
 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)。 `]fY9ZDKs  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 0z,c6MjM+  
lD{9o2  
 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。 ;ymUMQ%;/  
B^KC~W  
k6dSj>F>  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 4YdmG.CU  
ysSEgC3  
3. 衍射效率的评估 D,J's(wd  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 ny#7iz/  
7=JiL=  
&<L+;k~P%  
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。 h883pe
=  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd rR."_Z2  
YHE7`\l  
4. 结果：衍射级次的重叠 NjMo"1d  
 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。 d,$[633It}  
 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)。 d`v]+HK  
 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。 }B"kJNxV  
 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) ~(FyGB}  
 光栅方程： 0C3CqGP  
Iy"   
S c@g;+#QU  
=_TCtH  
Rh:\/31~  
5. 结果：光谱分辨率 c1Dhx,]ad  
Z>o20uA  
cz.-cuD[iD  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run sfx:j~bsL  
V}3.K\7  
6. 结果：分辨钠的双波段 <~f/T]E,  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 c~p4M64  
   ][D<J0  
y|c]r!A  
 8sE@?,  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 _4.fT  
YMJ?t"  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run D @T,j4o  
fNQ.FAK":  
7. 总结 z%]~^k8  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 TVYO`9:CW  
1. 仿真 U JY`P4(  
以光线追迹对单色仪核校。 yl)}1DPP  
2. 研究 s
kr^m%W  
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。 $Nnz|y  
3. 应用 }9{6{TD  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 2v yB[(  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 spgY &OI;  
扩展阅读 NNSn]LP  
1. 扩展阅读 |VTm5.23  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 0E{$u  
BpRQG]L  
 开始视频 T|r@:t[  
- 光路图介绍 ?GX5Pvg
 
- 参数运行介绍 ll73}v  
- 参数优化介绍 _! \X>rfz  
 其他测量系统示例： hyFq>XFo  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) F5:4 B]ZF  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ZA+$ZU^