[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) |tGUx*NN  
`Gqe]ZE#"  
应用示例简述 o/w3b8  
)O]6dd  
1.系统说明 k ucbI_  
rP:g`?*V  
 光源 (-gomn  
— 平面波(单色)用作参考光源 KLyRb0V  
— 钠灯(具有钠的双重特性) K6k
z{R%`  
 组件 n9'3~qVZ  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 )i~AXBt}  
 探测器 I8Aq8XBw  
— 功率 4rU/2}.q  
— 视觉评估 } ?
j5V  
 建模/设计 fzIs^(:fl  
— 光线追迹：初始系统概览 |NuMDVd+s  
— 几何场追迹+(GFT+)： &BRk<iwV  
 窄带单色仪系统的仿真 +/ZIs|B4,z  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ij ?7MP  
0 0N[ :%  
2.系统说明 !;eE7xn&  
$ln8Cpbca  
i"h\*B=  
J8qFdNK  
3.系统参数 (`1io  
)0VL$A  
iH8we,s'  
4>d4g\Z0L  
geme_  
4.建模/设计结果 GC')50T J  
5(+9a   
#*o0n>O  
Zw]"p63eMa  
总结 o-\h;aQJ  
WC#6(H5t$  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 #EH=tJgO|J  
1. 仿真 \ %Mcvb.?  
以光线追迹对单色仪核校。 duaF?\vv  
2. 研究 9{u=  
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。
@G4
Z  
3. 应用 g-eJan&]N  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 (/A.,8Ad  
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。 MTu\T  
D0Dz@25-  
应用示例详细内容 hY`<J]-'`  
系统参数 TTXF r  
wlXs/\es  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ^&qK\m_A  
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。 z@,pT"rb  
P~j#8cH7  
Db|f"3rq?  
LCivZ0?|X  
2. 系统参数 
# EvRm  
vNSUrf,r  
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|Oe@/  
Rw?w7?I  
5i[O\@]5  
LKM018H>  
3. 说明：平面波(参考) 0z>IYw|UB  
T8S&9BM7  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 }>{R<[I!G  
),x0G*oebj  
2j-l<!s  
rS [4Pey  
4. 说明：双线钠灯光源 dcf,a<K\  
k-~}KlP  
RdX+:!lD  
 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。 SoziFI  
 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)。 &{Z+p(3Gj  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 YuhfPa  
TCp9C1Q4  
ntIR#fB  
Bl+\|[yd  
5. 说明：抛物反射镜 -5*OSA:8x  
1
)~|{X+~  
QBa+xI_ J  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 -C2!`/
U  
 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。 jRsl/dmy  
K@p9_K8  
)<QX2~m<  
- |peD L  
XJo.^<m  
/`M#  
6. 说明：闪耀光栅 _gMr]%Q  
G8}owszT  
vv)q&,<c  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 z?DCQ  
 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 lf-.c$.>  
t^&hG7L_m,  
y(DT^>0  
f>Rux1Je4  
\`y:#N<c  
2sGKn a  
7. Czerny-Turner 测量原理 ;L$-_Z  
FRxR/3&  
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。 !>F70  
r1HG$^  
VP!4Nob  
ICz:>4M-dn  
"EpH02{i  
8. 光栅衍射效率 ZY<RNwu  
(&.T  
;8<HB1 &,  
 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。 ?n#$y@U  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ]U#of O  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) T @^ S:K  
Fug4u?-n  
GJWGT`"  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd e;v"d!H/  
%e[E@H7  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 v{$?Ow T/u  
A,&711Y  
-~c-mt  
Z'A 3\f   
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 yf*'=q  
&w9*pJR %  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 aEzf*a|fSV  
]Sj;\
Iz  
)@9Eq|jMC  
ZklO9Ox(  
 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)。 Ep(xlHTv  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 }bRn&)e  
K bQXH!J  
应用示例详细内容 z 8M\(<  
HT/!+#W.  
仿真&结果 Pek[j)g}  
o6^ETQ  
1. 结果：利用光线追迹分析 q0q-Coh>  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 +UWv}|  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 +wz1kPRs  
Cgln@Rz  
Y'0
00#+  
UU(Pg{DA6  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 0Sk~m4fj(  
-J=6)  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 WI&A+1CK-5  
 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)。 9:g A0Z  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， YFu>`w^Y  
=p5]r:9W  
 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。 s#<fj#S  
@H$8;CRM  
f6J]=9jU  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms rRe^7xGe7  
?f9M59(l  
3. 衍射效率的评估 EZ>(}  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 v6DjNyg<x  
F3vywN1$,  
'4d4i  
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。 ;o)'dK  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd s)E8}-v  
.Y2H
d$rs  
4. 结果：衍射级次的重叠 &x B^  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 )?OdD7gd  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 @r[SqGa:  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 TDZ==<C  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) y$nI?:d  
 光栅方程： ewT K2  
ae-tAA[1Y  
3]'ab-,Vp  
b&@]f2/  
_t"[p_llo  
5. 结果：光谱分辨率 P<Z` 8a[  
6:S, {@G  
~tTn7[!  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run G6{'|CV  
^w%%$9=:r  
6. 结果：分辨钠的双波段 UrciCOQf  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 PX?%}~ v  
   .|u`s,\  
BUwL?  
doTbol?+  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 $?!]?{K  
qZE3T:S  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run )uAY_()/  
_vb'3~'S  
7. 总结 ts
(
u7CJd  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 rSt5@f?  
1. 仿真 hC8WRxEGq  
以光线追迹对单色仪核校。 'Q=)-  
2. 研究 K_ymA,&()  
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。 y5=,q]Qjk[  
3. 应用 &-o5lrq  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 j&/+/s9N  
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。 fBZLWfp9  
扩展阅读 1yz%ud-l  
1. 扩展阅读 &`s{-<t<L  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Z~h6^h   
"(W;rl  
 开始视频 {5  pK8  
- 光路图介绍 Vb#a ,t  
- 参数运行介绍 'OTZ&;7
{  
- 参数优化介绍 oB!Y)f6H1  
 其他测量系统示例： 0U/[hG"DKN  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) E0VAhN3G\  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) /N%i6t<xU