[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) (k?OYz]c  
-Q; w4@  
应用示例简述 $IHa]
9 {  
[#:k3aFz  
1.系统说明 ?U |lZ~o  
_PIk,!<  
 光源 ZU`"^FQ3A  
— 平面波(单色)用作参考光源 ;bX{7j  
— 钠灯(具有钠的双重特性) =F9-,"EAI  
 组件 {T.VB~C  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 `JRdOe  
 探测器 WCH>9Z>cj  
— 功率
G.Q+"+*^  
— 视觉评估 Sz =z TPnO  
 建模/设计 Xy._&&pt  
— 光线追迹：初始系统概览
*$QUE0  
— 几何场追迹+(GFT+)： 0PN{ +<?.  
 窄带单色仪系统的仿真 <t8})
 
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 `)'YU^s  
V|7 cdX#H  
2.系统说明 ZM"t.  
Vh&uSi1V  
%]-tA,
u  
*d=pK*g  
3.系统参数 r<U }lK  
R&?p^!`%  
x-[l`k.V  
,q4Y N-3  
j'Fni4;  
4.建模/设计结果 )lZb=t  
WDcjj1`l  
t4h* re+  
FGC[yz1g:  
总结 ){v nmJJ%  
|K]tJi4fz  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 R8HFyP  
1. 仿真 {'/8{dS  
以光线追迹对单色仪核校。 Y9ru~&/o$  
2. 研究 zQ6otDZx  
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。 m9r X  
3. 应用 k{; 2*6b0  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 NOvN8.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。 dP82bk/e  
S;Vj5  
应用示例详细内容 |g~.]2az  
系统参数 dI`b AP;\  
r'&VH]m  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 T!8,R{V]4  
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。 GE|V^_|i  
=cxjb,r  
@>:r'Fmu-  
=oBV.BST u  
2. 系统参数 V[#jrwhA  
,a}+Jj{  
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。 8q_nOG
d  
D_g+O"];P  
~x2azY2DP  
d;K,2  
3. 说明：平面波(参考) b^0=X!bg  
d+8Sypv^4*  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 8/k*"^3  
m}rUc29cS,  
_k&vW(O=:  
WmeV[iI  
4. 说明：双线钠灯光源 +5voAx!  
HUZI7rC[=)  
$%ps:ui~X  
 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。 )KG.:BO<  
 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)。 q.*k J/L  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 Dc U
$sf*  
:M3Fq@w=  
[&51m^  
MGK%F#PM  
5. 说明：抛物反射镜 R,8;GS42  
29:] cL(5  
Pa+%H]vB  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 V3 2F  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 12.|Ed*72  
) }(Po_  
`ml  
_vm~yKId  
1GE[*$vuq  
f]Xh7m(Gh  
6. 说明：闪耀光栅 \Cx2$<8  
';Y0qitGB  
+xp)la.  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 <m'W{n%Pp  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 ;ry~x:7L7  
+87|gC7B  
qx|~H'UuBN  
\I(g70  
 Z/RSZ-  
a[I :^S  
7. Czerny-Turner 测量原理 *lc|iq\  
wNtC5  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 T,r?% G{XE  
7_HFQT1.N  
{OIB/  
1 8%+ Hy=  
?k@^U9?R  
8. 光栅衍射效率 qz95)  
VYbH:4K@%  
|0OY>5  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 IK1'" S|  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 f\xmv|8  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) a@!(o  )>  
AT%6K.  
q#=HBSyM  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd /*P) C'_M  
5:|9pe)  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 2ca#@??R  
7vTzY%v  
#zRHYZc'T|  
B`|f"+.  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 A*G ~#v^  
G>=Fdt7Oc  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 nr&bpA/  
H-\Ym}BGu  
PzOnS   
>$,P )cB'  
 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)。 1_WP\@O  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 SSxp!E'  
D6-R>"}  
应用示例详细内容 ~[%_]/#&%z  
+-C.E
 
仿真&结果 [;H-HpBaa  
bmu]zJ  
1. 结果：利用光线追迹分析 ]"}BqS0  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 C#-HWoSi  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Dj>eAO>  
)xq=V  
NOg/rDs'{  
4C/G &w&  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ?r0rY?  
Unvl~lm6  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 z%S$~^=b  
 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)。 @R%*;)*F  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， URceq2_  
w?>f:2(=[  
 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。 |.VSw  
hr;^.a^
  
)9^)t   
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms qg{gCG  
f"RC(("6W  
3. 衍射效率的评估 /jNvHo^B  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 T%% 0W J  
|QS3nX<  
BBM[Fy37!}  
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。 b"WF]x|^  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd "MU-&**  
(?m{G Q  
4. 结果：衍射级次的重叠 -w*fS,O  
 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。 D6Au)1y=&  
 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)。 6#7hMQ0&;O  
 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。 G<M0KU(  
 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) .<zKBv  
 光栅方程： ULqI]k(  
OHi.5 (  
b3EGtC}^  
mFg$;F  
<4+P37^~  
5. 结果：光谱分辨率 5CZyA`3V^5  
PJiU2Y33  
E/g"}yR  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run Asv]2> x  
Z/
%FQ  
6. 结果：分辨钠的双波段 ;+<IWDo  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 OL>)SJj5  
   M#; ks9  
GQ;0KIN  
ss[`*89  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 `mzlOB  
`0\Z*^
>  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run n9xP8<w8  

(/uAn2  
7. 总结 iP0m1  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 iI{L>  
1. 仿真 K_;vqi^1^&  
以光线追迹对单色仪核校。 S7)qq  
2. 研究 SK l
vZ  
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。 rz@qW2  
3. 应用 }9+;-*m/  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 '|DW#l\n  
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。 (iX
8YP$%  
扩展阅读 Q]YB.n3  
1. 扩展阅读 ,c4HicRJ#  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 \P*_zd@%  
8 MQq3  
 开始视频 0n{.96r0R  
- 光路图介绍 +b(};(wL  
- 参数运行介绍 5E\.YqdV  
- 参数优化介绍 rS{}[$Zpl  
 其他测量系统示例： #73pryXV  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) hI'WfF!X  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) c,4~zN8Ou