[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) [tN/}_]  
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g:\R$lQ  
应用示例简述 2RCnk&u  
XQA2uR4h  
1.系统说明 ",m5}mk:4  
ghl9gFFj  
 光源 %O${EN  
— 平面波(单色)用作参考光源 @[Th{HTc.G  
— 钠灯(具有钠的双重特性) D[mYrWHpn  
 组件 vY6
|V$  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Tp7?:YY|  
 探测器  a4yU[KK  
— 功率 .uP$M(?j  
— 视觉评估 XN@5TZoaW  
 建模/设计 z$NLFJvy_-  
— 光线追迹：初始系统概览 y~fy0P:T  
— 几何场追迹+(GFT+)： +j,;g#d  
 窄带单色仪系统的仿真 fu/c)D6u*m  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 yT4|eHl  
-]e@cevy  
2.系统说明 &}r932  
y[cAU:P?  
lQzrf"N'  
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MpP  
3.系统参数 z!%}0  
rZEu@6
3  
.o>QBYpTw/  
'&Ku Ba  
Z&%61jGK  
4.建模/设计结果 LM}si|  
0czy:d,M%  
h4/rw fp^  
d={}a,3?  
总结 Z+?j8(:n  
G4i&:0  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 M@8(h=  
1. 仿真 S(Pal/-"  
以光线追迹对单色仪核校。 tua+R_"  
2. 研究 S%4K-I  
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。 eR/7*G5  
3. 应用 3eB2=_V`  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 w*+rBp,f  
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。 {XVSHUtw  
Ul=`]@]]  
应用示例详细内容 Y4_i=}\*vf  
系统参数 p"T4;QBxQ  
loZfzN&6A  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 |^1eL I  
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。 _]\mh,}  
h3:k$`_  
X#J[Nn>  
/<})+=>6f  
2. 系统参数 FUDMaI  
NYCkYI  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 |y]#-T?)t  
6ugBbP +^  
yY1&hop  
"0 v]O~s  
3. 说明：平面波(参考) S^_na]M"4  
Eb.{M  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 O:#to  
i_MDLS>-  
wtY#8'^$&  
9TF[uC)-2  
4. 说明：双线钠灯光源 1:,aFp>qr  
k8h$#@^  
}p#S;JZRu+  
 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。 NE(6`Wq`  
 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{7Ut^)  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 _+UD>u{  

nI6`/  
SO}Hc;Q1`  
5!?><{k=%  
5. 说明：抛物反射镜 W2n%D& PE  
W nVX)o  
VQX#P<  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 d=x
weU<  
 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。 E;h#3 B9  
%N!Y}$y  
Q<"zpwHR  
)9Jt55
0(  
50CU|  
A }dl@  
6. 说明：闪耀光栅 qD%Jf4.0j  
-tDmzuD6  
& K7+V  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 ecr pv+  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 nkvzv  
gvz&ppcG  
[/#;u*n  
w
KwireOs  
YncY_Hu  
lGs fs(  
7. Czerny-Turner 测量原理 8TuOf(qE  
#.) qQ8*(  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 7XdLZ4ub  
u+S
*D\p<`  
+HNQ2YZ  
h(>4%hF  
G:f]z;Xdp  
8. 光栅衍射效率 w(s"r p}  
Ww@Rewo  
3 bGpK9M~  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 qdzc"-gH`  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 AWGeK-^  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) I,.>tC  
J8(v65  
eja_+`cJ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 3TO$J  
Dk8" H>*  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 M,:GMO:?a  
O7:JG[tR*  
~^Gk7
 
7LKNEll  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 Q;SMwCB0M  
|odl~juU  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 /O+,vRw\A  
,D>$N3;  
Hb IRE  
7 zK%CJ  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 <T<?7SE+  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 t<x0?vfD  
f0}+8JW5h  
应用示例详细内容 \,lgv  
BY6QJkI9x  
仿真&结果 r`VKb  
#%Uk}5;-  
1. 结果：利用光线追迹分析 G5?Dt-;I  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ~8RN  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 (?D47^F &  
\A Y7%>  
D8qZh1w%A|  
m^%[  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd D?;$:D"  
*EvnN:  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 T[;O K  
 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)。 NAlYfbp  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， l+Uy  
O#uTwnW  
 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。 6m|j "m  
xm6cn\
e  
V)oUSHillH  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms }L3kpw  
|#Z:v1]"  
3. 衍射效率的评估 f)~urGazS  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 _ ^r
KOd  
)E'iC
  
"(>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。 MyXgp>?~T  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd E
CWn/4Aws  
V \,Z (  
4. 结果：衍射级次的重叠 c
F7I  
 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。 5VDqx@(  
 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)。 j ~:Dr  
 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。 CD;C
z*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) i"p)%q~ z  
 光栅方程： 51u8.%{4  
8A~5@  
s+8 v7ZJ  
2j+v\pjYC  
J*vy-[w  
5. 结果：光谱分辨率 R_e{H^pY^  
<O>1Y09C/  
a$y=+4L  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ggR@& \  
:,X,!0pWRp  
6. 结果：分辨钠的双波段 bwR24>8lP  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 o}C|N)'  
   ,A T!:&<X  
7@NAky(  
gNY}`'~hr  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 wws)**]J8  
M.iR5Uh  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 2>Bx/QF@<  
4mq+{c0  
7. 总结 k>I[U}h  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 &=oW=g2  
1. 仿真 S-&[Tp+
N  
以光线追迹对单色仪核校。 :Y`cgi0vkd  
2. 研究 g} 7FR({b  
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。 CZcnX8P'8  
3. 应用 +P2f<~  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Bvj-LT=)  
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。 ^|M\vO  
扩展阅读 R
d7Xs  
1. 扩展阅读 {1,]8!HBJ  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 &rj3UF@hb  
6Y<'Lyg/  
 开始视频 I?nj_ as  
- 光路图介绍 uKHkC.
g  
- 参数运行介绍 PYX]ld.E  
- 参数优化介绍 f|G,pDLx  
 其他测量系统示例： bI/d(Q%#<  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) k$1ya7-@  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) *)+1BYMo