[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) :% )va  
!"j?dQ.U;  
应用示例简述 q3TAWNzI0  
.&=nP?ZPC6  
1.系统说明 oOUL<ihe?  
Y` Oz\W  
 光源 ,IF3VE&r  
— 平面波(单色)用作参考光源 CWdA8)n.  
— 钠灯(具有钠的双重特性) A?<R9A  
 组件 f1y3l1/  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 @v\Osp t=  
 探测器 R$k4}p  
— 功率 XCCN6[[+  
— 视觉评估 <43O,Kx'Su  
 建模/设计 1[OCojo<  
— 光线追迹：初始系统概览 Lqq RuKi  
— 几何场追迹+(GFT+)： n|sP0,$N1  
 窄带单色仪系统的仿真 Y^Y|\0  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 *cz nokq6  
-61{ MMiA  
2.系统说明 RTHD
2  
0eUK'  
"bZ%1)+  
l8 k@.<nCO  
3.系统参数 _>+!&_h  
Fy37I/#)r&  
GM=r{F &  
s(jixAf  
d,AEV_  
4.建模/设计结果 _[u&
}i  
u:JD  
I},.U&r  
ej,j1iB  
总结 88x_}M^Fnl  
n4\UoKq  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ~o_0RB  
1. 仿真 rT7W_[&P  
以光线追迹对单色仪核校。 s:ig;zb  
2. 研究 67/JsL  
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。 l{<+V)  
3. 应用 15dhr]8E  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Ro3C(aRx  
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。 /}A"F[5  
MIma:N_c  
应用示例详细内容 `Cq&;-u  
系统参数 >L[n4x\  
3kfrOf.4h  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 z,dh?%H>X  
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。 M|8vP53=q  
)N$T&  
E| eEAa  
`t[b0; 'OH  
2. 系统参数 ~+DPq|-O  
<8;SSdoKi  
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。 EMy>X  
#C^)W/dP  
1%Hc/N-  
3{c6)vR2  
3. 说明：平面波(参考) ;B*im S10  
ls[0X82F
 
 采用单色平面光源用于计算和测试。 x6yYx_  
)&/ecx"
2Q  
}@6Tcn1  
]q^6az(Ud  
4. 说明：双线钠灯光源 !UHWCJ< <w  
((0nJJjz  
PY81MTv0;  
 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。 EPeKg{w  
 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)。 9r2l~zE  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 $[f-{B{>*  
j-]`;&L  
-t#YL
 
suKr//_  
5. 说明：抛物反射镜 [vv $"$z  
d{/#A%.  
;Aqj$ x  
 利用抛物面反射镜以避免球差。
kg&R  
 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。 Lf0X(tC  
zTBf.A;e7  
*Wj]e%  
{$>Pg
/  
I<+EXH%1,  
w'uB&z4'  
6. 说明：闪耀光栅 i,
V,0{$  
J2ZV\8t  
76oJCNY  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 G0%},Q/  
 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 7q%xF#mK=  
WUBI(g\  
gOy
;6\/  
X+2uM+  
OsT|MX  
c-VIpA1  
7. Czerny-Turner 测量原理
g1kYL$o4  
G!T_X*^q2U  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 )4#YS$B$@)  
)L/0X40<.  
LWdA3%  
WAt=T3  
]?G|:Kx$y%  
8. 光栅衍射效率 !!k^M"e2  
dtj+ avG  
rnyXMt.q  
 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。 *^oL$_Y  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。  Q}9!aB,  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) oRZ98?Y\B  
:%-w/QwTR  
9Iu"DOxX%  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd baoyU
#X9  
5sz
J.!(  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 JIiS/]KQ  
 ;kzjx%h  
j7BLMTF3v  
9OYyR  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 jiejs*  
uH&B=w  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ZEK,Z['  
B[3u,<opFU  
Vq
UCcT  
Xub*i^(]  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 L} "bp  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 *Z$W"JP  
U8.V Rn  
应用示例详细内容 h/Yxm2  
8y']kVg  
仿真&结果 efNscgi  
bvOnS0,y  
1. 结果：利用光线追迹分析 ]Cs=EZr  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 %:s+5*SKe  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 to'CuPkT  
9 JhCSw-<)  
d_,Ql708f  
fK6[ p&  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ?b:Pl{?  
>F>VlRg  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 bg!(B<!X  
 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)。 i)$P1h
 
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， kY?tUpM!TB  
* RyU*au  
 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。 $q*a}d[Q  
'QQq0.  
Y7zs)W8xTT  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms &~Y%0&F,&  
&09&;KJ  
3. 衍射效率的评估 =;4K5l{c  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 cQ]c!G|a4  
{cUGksz]}  
IG{lr  
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。 @ x .`z
  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd z4 <_>)p  
6J\ 2=c`  
4. 结果：衍射级次的重叠 9%Tqk"x?  
 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。 ?em8nZ'  
 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)。 Do77V5  
 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。 +HPcvu?1  
 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) 41]a{A
7q  
 光栅方程： <S=(
`D  
3"zPG~fY{  
o5j6(`#;  
",&QO7_  
zrqI^i"c  
5. 结果：光谱分辨率 X0iy  
t=X=",)f  
P6Y+ u  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run h (q,T$7W  
,p3]`MG  
6. 结果：分辨钠的双波段  ?HRS*  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 er5!ne  
   qFK.ULgP`  
O
X'V  
J;NIa[a  
设置的光谱仪可以分辨双波长。  =  
2GORGS%  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 8^^ 1h  
.;Mb4"7=  
7. 总结 NTD1QJ  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Wlxmp['Bh  
1. 仿真 m5i
CvOP  
以光线追迹对单色仪核校。 U#cGd\b  
2. 研究 JRi:MWR<r  
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。 ">.tPn  
3. 应用 c+&Kq.~K  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 WKiP0~  
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。 >t.Lc.  
扩展阅读 ?IYu"UO<)|  
1. 扩展阅读 $1"gFg  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 1&! i:F#  
R;!@ xy  
 开始视频 CV\^gTPmx  
- 光路图介绍 &:5*^1oP  
- 参数运行介绍 vRH^en  
- 参数优化介绍 r&m49N,d  
 其他测量系统示例： rbnAC*y8'L  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) Mib.,J~  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ^7wqb'xg