[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) WLfDXx2A  
~<s^HP2U{
 
应用示例简述 uhp.Yv@c  
jF/S2Ty2  
1.系统说明 0 ]L  
W}MN-0  
 光源 v=cQ`nou  
— 平面波(单色)用作参考光源 `r~3Pf).4  
— 钠灯(具有钠的双重特性) ?#z<<FR  
 组件 M'|p<SO]  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 7v0AG:  
 探测器 j:/Z_v'  
— 功率 u*,>
$(-u  
— 视觉评估 $&KkZ  
 建模/设计 mdEl CC0  
— 光线追迹：初始系统概览 PiCGZybCA  
— 几何场追迹+(GFT+)： uLPBl~Y  
 窄带单色仪系统的仿真 Fkq^2o ]  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 lI.oyR'  
|5X[/Q*K`W  
2.系统说明 $AE5n>ZD$  
j0a=v}j3  
 Y#~A":A  
e"NP]_vh,  
3.系统参数 ]t`SCsoo  
$gD8[NAIx=  
~dpf1fP  
dl6U]v=  
V %D1Q}X  
4.建模/设计结果 n\JI7A}  
v}d)uPl};  
#d-zH:u
q  
HTGLFY(&  
总结 ?# _{h  
U"+W)rUd  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 P*~ vWYH9  
1. 仿真 " r o'?  
以光线追迹对单色仪核校。 2{vAs  
2. 研究 *pv<ZF0>  
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。 A1,q3<<D%  
3. 应用 5Pn.c!  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 +jF2{"  
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:;x5'|
 
x-X~'p'f  
应用示例详细内容 jlU6keZh`  
系统参数 ::$W .!Uv  
[3nWxFz$R  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 C c:<F_UI  
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。 fi%i 2Wy  
vO~Tx  
+qC[X~\  
=r7!QXPH}  
2. 系统参数 -`* 'p i  
iRlZWgj4^  
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。 X~D[CwA|`  
|l+5E   
seBmhe5qR  
2bG3&G  
3. 说明：平面波(参考) yV\%K6d|3&  
tO:JB&vO2  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 y#iz$lX R  
}YFM40H  
-9,~b9$  
s_VcC_A  
4. 说明：双线钠灯光源 AguE)I&m  
vJ^~J2#5  
}P.Z}n;Uj  
 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。 A`Y^qXFb`  
 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)。 PDuBf&/e  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 D_
czUM  
SM4`Hys;p  
3-{BXht)  
PRaVe,5a  
5. 说明：抛物反射镜 `Y4Kw  
kexV~Q  
xwof[BnEZ  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 W3/bM>1  
 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/ .LDye8  
9|Jv>Ur=)2  
89(qU  
V@k+RniEO  
cVL|kYVWT  
Zdqm|_R[  
6. 说明：闪耀光栅 {eaR,d~X  
f/#Id]B  
?1JY6v]h4  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 D48e30  
 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 DMG~56cTO,  
'!7>*<  
Nyy&'\`!  
U,EoCAm>  
{&IB[Y6  
Nb&j?./  
7. Czerny-Turner 测量原理 ya8p 4N{_  
aM;SE9/U  
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。 iv *$!\Cd  
06f%{mAZS  
<7\j\`  
Nbd4>
M<  
) bI.K[0^  
8. 光栅衍射效率 D0FX"B
Y7  
:.e'?a  
1\m,8i+gU  
 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。 uv/\1N;V3  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 znsQ/[  
 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) : "|/  
OlRXgJ  
$lf/Mg_
H  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd CsA(oX  
)tI^2p{  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 7 mCf*|  
/GO-  
:$b`n  
@c]KHWI  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。  k;+TN9  
Yvo*^jv  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 @-dGZ5  
*HR pbe2  
o{,IO!q  
hi!A9T3%}M  
 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)。 z1Ieva]  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 u>fMO9X}2  
HRyFjAR\?  
应用示例详细内容 6^LXctW.  
&>Ve4!i q  
仿真&结果 q8d](MaX  
kJ5z['4?  
1. 结果：利用光线追迹分析 .8|wc  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 4)w,gp  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 3O2G+G2  
tVAo o-%  
q!:dZES  
DH?n~qKpC  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd Nz2VaZ  
MT~^wI0a  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 p [C 9g  
 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)。 D0jV}oz  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， u @Ze@N%  
$vu*# .w  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 yk8b>.Y\A  
; R+>}6  
T&'Jc  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms v@%4i
~N  
ck{S  
3. 衍射效率的评估 v-z%3x.f  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 {OEjIT
m  
N4+Cg t(  
JI.=y5I  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 Gf"TI:xa  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd l%EvXdZuOy  
GFdbwn5B  
4. 结果：衍射级次的重叠 d78 [(;  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 N4ZV+ |  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 !{^kH;
*u  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 v'S]g^  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) Q)0KYKD+@  
 光栅方程： HQP.7.w7 5  
hEB5=~A_  
;-VZVp}Y  
`Qo37B2  
Jo\
MDyb]  
5. 结果：光谱分辨率 [o<hQ`&  
qqw P4ceG  
?) y}HF  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 8+[Vo_]  
_dm0*T ?  
6. 结果：分辨钠的双波段 ?{ExBZNa  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 I #1~CbR  
   ni2#20L  
vT EqT  
D:Q#%wJ  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 3
2 i6j  
g}0K@z3  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run Br
9j)1;  
=T9h7c R  
7. 总结 #sc!H4  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 P_5aHeiJ  
1. 仿真 Eto"B"  
以光线追迹对单色仪核校。 a5#G48'X  
2. 研究 /7D5I\  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 HMF2sc$N  
3. 应用 qt@/  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ym{@w3"S  
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。 O(W"QY  
扩展阅读 ndLEIqOY  
1. 扩展阅读 #1haq[Uv7  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ;F258/J  
&AJ bx  
 开始视频 our ^J8
  
- 光路图介绍 QWOPCoUet  
- 参数运行介绍 H*N<7#  
- 参数优化介绍 "?zWCH  
 其他测量系统示例： VF2,(f-*  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) .9vS4C  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 67rY+u%