[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) *V`E)maU  
?NVX# t'  
应用示例简述 u?F^gIw  
Z=m5V(9  
1.系统说明 w61*jnvi@  
* lJ
kk  
 光源 /HE{8b7n3F  
— 平面波(单色)用作参考光源 u}">b+{!  
— 钠灯(具有钠的双重特性) [$DI!%e|  
 组件 "C.cU  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 DO 0  
 探测器 U]]ON6Y&F  
— 功率 =o)B1(v@.  
— 视觉评估 cGSG}m@B`  
 建模/设计 $qR<_6j  
— 光线追迹：初始系统概览
xV0:K=  
— 几何场追迹+(GFT+)： K0{ ,*>C  
 窄带单色仪系统的仿真 3s0I<cL  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 FfX*bqy
 
7<*,O&![|  
2.系统说明 *7w,o?
l  
9'=ZxV  
~_F<"
40  
U+Vb#U7;  
3.系统参数 !{?<(6;t  
8Sk$o.Gy  
-uNM_|MO  
NdmwQJ7e"  
=p[a Cb i  
4.建模/设计结果 c 'rn8Jo}  
7fC:'1]G  
'-BD.^!!  
3>6rO4,  
总结 G-TD9Og
Z  
3ESrd"W=  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 vawS5b;  
1. 仿真 gh-i|i,  
以光线追迹对单色仪核校。 xnDst
9%  
2. 研究 Ae;mU[MK/  
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。 HF<h-gX  
3. 应用 GvBmh.  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 y q!{\@-  
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。 Ki>XLX,er=  
r3+   
应用示例详细内容
P7epBWqDP  
系统参数 tpa<)\7KJ  
b"nD5r  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 B2Kh~Xd  
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。 bs'hA@r  
\[d~O>k2  
T0@$6&b%\z  
D?G'1+RIT~  
2. 系统参数 d+nxvh?I8  
.;)V;!   
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 eVzZfB-=4}  
_h I81Lzq  
/z)Nz2W  
p~v0pi  
3. 说明：平面波(参考) lMgPwvs'  
(3Z;c_N  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 3:>hHQi  
3U'l'H,  
>=86*U~  
lHFk~Qp[  
4. 说明：双线钠灯光源 <b?$-Rx  
T_d)1m fl  
J(SGaHm@  
 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。 w
lEK"kKU  
 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)。 ,'n`]@0?\  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 |-HNHUF  
@}s EP&$  
72vp6/;)  
[{: l?  
5. 说明：抛物反射镜 z3{Cp:Mn  
#8$"84&N.  
7~SnY\B|  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 _}cD_$D  
 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。 j^/=.cD|  
>uYU_/y$2  
. I."q  
MpTOC&NG%s  
'>HLE)l  
f@k.4aS  
6. 说明：闪耀光栅 r5y*SoD!  
EMDYeXpV  
W\<HUd  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 {q^UWv?1  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 dK4w$~j{k  
F:~@e(  
DG}s`'  
y8Rq2jI;(e  
z6P~HF+&h  
h"[:$~/UJ  
7. Czerny-Turner 测量原理 n(i/jW~0w  
13 %:3W(  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 06?d#{?M1o  
Er -rm  
< FY%QB)h  
QP<.~^ao  
*U$%mZS]1  
8. 光栅衍射效率 8c>xgFWp9  
qF
l|q0\ A  
)Cat$)I#,  
 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。 C{+JrHV%h  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ~z,
qr09  
 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) d%RH]j4  
4$81ilBcL  
:i|]iXEI"  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd xSDTO$U8%  
c^&4m[?C[u  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 64vj6 &L  
[KCR@__  
Q3Y(K\  
.gM6m8l9wp  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 R&$fWV;'  
y.s\MWvv>u  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 3E0C$vKM  
uKj(=Rqq  
Yh Ow0 x  
}0f~hL24  
 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)。 G:@1.H`  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 dk"@2%xJ2d  
RS@[ +!:t  
应用示例详细内容 QjD=JC+  
18p4]:L  
仿真&结果 .8GXpt^U(  
ru~!;xT  
1. 结果：利用光线追迹分析 :G]t=vr1  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ?b"'w  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 dK0H.|  
3_.%NgES|  
vF&0I2T~l  
cmAdQ)(Kzd  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd fn.;C  
$My~sN8  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 `~=NBN=tiL  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 EXwU{Hl  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， Z3=N= xY]  
`C$QR 8  
 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。 EWY'E;0@5  
jc\y{I\  
`U|zNizO  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms EEo I|  
Se37-  
3. 衍射效率的评估  A;*<  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 iXWB  
]EUQMyR  
cd=K=P}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。 .g?D3$|K  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 0Wc_m;  
mNEh\4ai  
4. 结果：衍射级次的重叠 ] W$
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。 W$`#X  
 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)。 K-K>'T9F}  
 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 \ou+M#  
 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) iq^;csyKb  
 光栅方程： B(5>H2  
<M}O&?N 8x  
Hs_7oy|P  
+@H{H2J4  
&FJr?hY%  
5. 结果：光谱分辨率 -yTIv*y  
UX<)hvKj  
Hl'AnxE  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run  rvK%m_r  
xI/8[JW*  
6. 结果：分辨钠的双波段 ?;.=o?e9  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 M4CC&?6\  
   6V}xgfB  
*OIBMx#qxn  
L6;'V5Mg72  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 [hk/Rp7{  
TJ_6:;4,|_  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run {`T^&bk  
[tElt4uG  
7. 总结 ,A)Z.OWOq  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Q#.E-\=^  
1. 仿真 i[ws%GfEv  
以光线追迹对单色仪核校。 8OO[Le]1  
2. 研究 fO .=i1 E}  
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。 m6]6!_  
3. 应用 ll- KK`Ka  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 7s!rer>  
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。 ' I!/I  
扩展阅读 eT]*c?"  
1. 扩展阅读 412E7   
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 9?~6{!m_9  
:^xNHMp!  
 开始视频 M)AvcZNs  
- 光路图介绍 &A`,hF8  
- 参数运行介绍 fakad#O  
- 参数优化介绍 ,?Zy4-  
 其他测量系统示例： R
*XZPzg%  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) r4fg!]J;  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ir>+p>s.