[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) )(d~A?~  
ui"`c%2n  
应用示例简述 o7gZc/?n  
("f~gz<<  
1.系统说明 W-D4" G@  
sw$JY}Q8x  
 光源 * W"Pv,:  
— 平面波(单色)用作参考光源 <}mA>c'k  
— 钠灯(具有钠的双重特性) PMiu "  
 组件 J>hjIN  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 TJcHqzcUc  
 探测器 ]Gj%-5G  
— 功率 'D[ *|Qcy  
— 视觉评估 daB5E<?  
 建模/设计 ?t;,Nk`jx  
— 光线追迹：初始系统概览
17:7w  
— 几何场追迹+(GFT+)： 6DEH|2  
 窄带单色仪系统的仿真
@Rd`/S@  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 #VZ-gy4$\B  
.^- I<4.  
2.系统说明 _0&U'/cs  
-hK^*vJ  
p:|7d\r  
ju.`c->k"  
3.系统参数 gYpFF=7j<@  
sldcI@Z  
s2tNQtq0W  
j;_E0j#  
+>tSO
!}[  
4.建模/设计结果 mphs^k< Z  
So NgDFD  
YyY?<<z%  
/Zz[vf
 
总结 -t*P=V|@  
h?QGJ^#8  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 \O>;,(>i  
1. 仿真 EBmkKiI;  
以光线追迹对单色仪核校。 f1\mE~#}  
2. 研究 Z1\=d=  
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。 yTWicW7i  
3. 应用 P!R`b9_U  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 qz-lQ  
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。 UJ)(Sw  
Z%{`j!!p  
应用示例详细内容 ) Cm95,Y  
系统参数 I_`$$-|
 
;0dl  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 |pT[ZT|}G  
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。 U@".XIDQ  
~. 5[  
m4c2WY6k  
FdxV#.BE  
2. 系统参数 D'Kiy  
:<6gP(  
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。 }vX1@n7T6  
9+'*  
E**Hu9  
?J5E.7o  
3. 说明：平面波(参考) `! )^g/>0i  
+qa^K%K  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 )9{!=k  
\k%j  
|zp}u(N  
70A* !v  
4. 说明：双线钠灯光源 Cyp%E5b7  
gGbJk&E  
[58qC:  
 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。 P
7qzZ  
 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)。 Tu=~iQ  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 iB*1Yy0DC  
p=dM2>  
E>1%7" i<  
nhB.>ReAi  
5. 说明：抛物反射镜 ^}Gu'!z9D  
Wl{}>F`W[  
Nf9$q| %!  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 u/HNXJ7M`9  
 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。 'Fa~l'G7X  
Y-P?t
+l  
7eyx cr;z  
K]>X31Ho  
RA:3ZV  
I*= =I4qx  
6. 说明：闪耀光栅 $+w-r#,  
(x8D ]a  
]= 9^wS  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 \r&9PkHWo  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 b[my5Ol  
f5vsxP)Y[  
:cE~\BS&  
F'JceU  
Eh.NJI(  
;c0z6E /  
7. Czerny-Turner 测量原理 F44KbUH  
y(=$z/  
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。 <iznB8@  
nCdxn#|  
eW;0{P  
PG'+vl  
3W"l}.&ZJ"  
8. 光栅衍射效率 1zJ)x?  
F@kd[>/[  
94GF8P  
 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。 </)HcRj'e  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 .L))EB  
 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) C?7I(b:  
}:4b_-&Q5  
~Jx0#+z9V  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd }^n346^  
x10u?@  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 :B5M#D!dO  
 j#YPo  
a X:,1^  
*BAR`+;U  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 )XoIb[s"  
VL| q`n  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 I2<5#|CXpZ  
F4 :#okt  
_jD\kg#LY  
ad,pHJ`  
 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)。 y6N }R  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 _!Ir|j.A  
oS Apa  
应用示例详细内容 IO}5
3zn<l  
vC>8:3Zaq  
仿真&结果 
a?ux  
e)A-.SRiO$  
1. 结果：利用光线追迹分析 xty)*$C>  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 |%c"A
vc  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 u#~q86k  
/YT _~q=:  
Gsa~zGN  
!pAb+6~T  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 8(|lP58~  
#f-pkeaeq  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 I*hzlE  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 IT=<p60"  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， ~"}o^#@DwJ  
mq6TwM  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 \:D"#s%x  
)0N^rw kW  
%8$ldNhV  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms K4K]oT  
=--oH'P=M  
3. 衍射效率的评估 "1|\V.>>;  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 1yV+~)by3  
jSd[  
TAp8x  
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。 $~r_&1  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd L.
DD  
Y=\:fa  
4. 结果：衍射级次的重叠 2pmqP-pKd  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 GvI8W)d3,R  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 W@FSQ8b>$m  
 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。 )zK@@E  
 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) P87Lo
4Rd  
 光栅方程： iOJ5KXrAO  
p-XO4Pc6  
)18C(V-x  
yZQcxg%  
J>8kJCh9g  
5. 结果：光谱分辨率 U
U*v5&  
s`gfz}/  
A~({vb'  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run X.+|o@G  
C`qE ,2.  
6. 结果：分辨钠的双波段 2#oU2si   
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 DR7JEE  
   Xm3r)Bm'3  
K5^`,}Q^  
V{UY_ e8W  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 X& mD/1  
|u]IOw&1  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run  JKV&c=I  
D)tL}X$  
7. 总结 |k^C-  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 .$fSWlM;  
1. 仿真 n8tw8o%&[  
以光线追迹对单色仪核校。 dhjX[7Bl9  
2. 研究 }N&?8s=  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 ne: 'aq  
3. 应用 z*B?Hw),  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性
YSrjg|k*  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 ST2:&xH(  
扩展阅读 H:S<O%f  
1. 扩展阅读 bh(}f.@ 9  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ..zX  
/b\c<'3NY  
 开始视频 1_};!5$.  
- 光路图介绍 nRvaCAt^  
- 参数运行介绍 ex BLj *]  
- 参数优化介绍 9c
%CCZ  
 其他测量系统示例： qV;I<AM  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ,"
Fl/AjO  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 9)t[YE:U3!