[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) /JT#^Y  
<\;#jF%V  
应用示例简述 @Pt="*g  
H@l}WihW  
1.系统说明 rl0<Ls  
6"}?.E$  
 光源 -I=l8m6L  
— 平面波(单色)用作参考光源 JY6 Qp  
— 钠灯(具有钠的双重特性) #UbF9})q  
 组件 {P*m;a`}  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 i'\T R|qd  
 探测器 KIWe@e  
— 功率 QcpXn4/*  
— 视觉评估 QV\eMuNy  
 建模/设计 aE2.L;Tk?  
— 光线追迹：初始系统概览 y '!m4-  
— 几何场追迹+(GFT+)： %plo=RF  
 窄带单色仪系统的仿真 F;]%V%F.X  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ^`G}gWBx}w  
rdJR 2  
2.系统说明 YIjTL!bA"  
tPF.r  
N ,z6y5Lu  
 #B\"'8#  
3.系统参数 rEF0oJ.
  
ghRVso(  
)6aAB|  
BT(CM,bp  
/3{b%0Aa  
4.建模/设计结果 !@v7Zu43,  
~sXcnxLz  
O6OP =K!t:  
}I>tO9M  
总结 S;- LIv  
L+i(TM=  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 9th,VnD0  
1. 仿真 pfI"36]F  
以光线追迹对单色仪核校。 aca=yDs2  
2. 研究 3p'I5,}  
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。 GI1  
3. 应用 1
.6:#  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 {yExQbN  
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。 Pjc Tx +  
RVQh2'w  
应用示例详细内容 r! MWbFw|X  
系统参数 r%+V8o  
{Ja!~N;3  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 - RU=z!{  
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。 _/tHD]um  
$\U4hHOo  
~5oPpTAe  
IqoR7ajA  
2. 系统参数 Sb82}$sO  
?)ONf#4Y  
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。 WA&!;Zq  
5f 5f0|ok  
w {3<{  
AnX%[W
"  
3. 说明：平面波(参考) \}|o1Xh2  
+O?KNZ  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 Xx>X5Fy  
TJR:vr  
/PSd9N*=y  
JVSA&c%3  
4. 说明：双线钠灯光源 Y<%@s}zc  
Vo'T!e- B  
}xh$T'M8  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 }*S `qW;B  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 R1$:~p2m  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 9j6QX~,  
2$ze= /l  
gq'Y!BBQy  
Rx=>6,)'  
5. 说明：抛物反射镜 {C N~S*m  
SSWP~ t  
0i\M,TNf*  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 U ^5Kz-5.  
 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。 7%|~>   
%/zbgS`  
T~##,qQ  
#W.#Hjpp  
FwkuC09tI  
?WqT[MnK  
6. 说明：闪耀光栅 naR0@Q"\h  
4i(JZN?  
n|RJ;d30Q  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 =k^Y?.  
 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 ?FpWvyz|  
Sp;G'*g  
r\-uJ~8N  
n%.7h3  
9Hb6nm  
n%o5kVx0  
7. Czerny-Turner 测量原理 8"8t-E#?  
PuA9X[=  
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。 "AsKlKz{B  
qGB{7-ru  
?kH8Lw~{5W  
2j}\3Pi  
3yU.& k  
8. 光栅衍射效率 1Vrh4g.l  
`tA" }1;ka  
26I_YL,S  
 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。 uXJ;A *  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 NflD/q/ L  
 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) UU;(rS/  
EIf5(/jo  
xSsa(b  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd ^cP!\E-^  
|@ s,XS  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 p93r'&Q  
6z#acE1)M  
-w}]fb2Q>  
8hOk{xs8  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 wnEyl[ac  
r%yvOF\>  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ?mFv0_!O
 
[B#R94  
jET{Le8i  
5HkKurab  
 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)。 t^R][Ay&  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 `1$@|FgyC  
RI 5yF  
应用示例详细内容 dJeNbVd  
Ui_8)z _  
仿真&结果 6}[I2F_^  
cl[BF'.H  
1. 结果：利用光线追迹分析 iNtaDX|%/  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 "d#Y}@*~o  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 AS'R?aX|C  
Z_};|B}  
7~^GA.92  
I7|Pi[e  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 9ifDcYl  
S;3R S;  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 EUD~CZhS"k  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 "}u.v?HYz  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， NO "xL,  
:DrWq{4  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 @5=oeOg36  
I5 o)_nc  
+7D|4  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms WejYy|  
m4hX 'F  
3. 衍射效率的评估 /32Fy`KV  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 `5cKA;j>b  
!"HO]3-o  
h58`XH  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 @Owb?(6?  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd dt \TQJc~  
y I HXg#  
4. 结果：衍射级次的重叠 >Wm`v.-  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 b
#uL?f  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 PWaw]*dFmy  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 f2Klt6"9  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) aktU$Wbwl  
 光栅方程： NPhhD&W_  
rn/ /%  
B6u/mo<  
?]|\4]zV  
Y}t \4 di  
5. 结果：光谱分辨率 *g:4e3Iy  
BWeA@v  
Tzt8h\Q^z  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run `slL%j
^"  
`YFtL  
6. 结果：分辨钠的双波段 9TgIB  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 "9ZID-~]  
   j~2{lCT  
y6ECdVF  
y?[ v=j*U  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 .f*4T4eR-  
yCd-9zb=  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run _(_a*ml  
WKts[Z  
7. 总结 :#LLo}LKp  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 !*s?B L  
1. 仿真 u!!Y=!y*<  
以光线追迹对单色仪核校。 hEA<o67  
2. 研究 JmF l|n/H  
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。 s[M
?as  
3. 应用 Vi>,kF.fV  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 8UXjm_B^'  
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。 3C?f(J}  
扩展阅读 R?GDJ3  
1. 扩展阅读 :}Xll#.,m  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 In:9\7~jC  
TC@s  
 开始视频 >QjAoDVX?  
- 光路图介绍 "W=AB&  
- 参数运行介绍 %zA;+s$l  
- 参数优化介绍 O}+.U<V  
 其他测量系统示例： 3*]eigi)  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) v/Py"hQ  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) AJf4_+He