[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) *m8{yh
 
Cb6K!5[q]  
应用示例简述 {
wl7&25  
?L|Ai\|  
1.系统说明 x21XzGLY|}  
#h#_xh'  
 光源 }ww`Y&#  
— 平面波(单色)用作参考光源 ><C9PS@  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 9+b){W  
 组件 E&ReQgBf
t  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 ',1[rWyc  
 探测器 N[I ?x5:u  
— 功率 p@?ud%  
— 视觉评估 Eb8~i_B-  
 建模/设计 !TN)6e7`  
— 光线追迹：初始系统概览 Ekn3ODz,  
— 几何场追迹+(GFT+)： "[sr0'g:  
 窄带单色仪系统的仿真 \.?'y71  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 Q yhu=_&  
Rw<O%i5/d  
2.系统说明 xS;tmc  
,E8g~ZUY9  
_U o3_us  
HOrXxxp1^  
3.系统参数 I :8s3;  
s)+] pxV0-  
8yybZ@  
/GF"D5  
FzF#V=9lP  
4.建模/设计结果 hb(H-
`16  
)K]<\Q[  
|+Xh ^E  
NAO0b5-h  
总结 k&:~l@?O  
Rsx?8Y^5  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 $,o@&QT?AT  
1. 仿真 xiVbVr#[  
以光线追迹对单色仪核校。 %6x3G  
2. 研究 Pk6_1LV  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 %r@:7/  
3. 应用 9R:?vk4  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 )>N=B2P  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 Z ?ATWCa  
(rQ)0g@  
应用示例详细内容 Bw.?Me)mf|  
系统参数 KDr)'gl&  
v?o("I[ C  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 M8VsU*aU  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 ! QKec  
")u)AQ  
F<O<=Ww  
0xV[C4E[6  
2. 系统参数 {D
X1/49  
G{.A5{  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 AQPzId*z  
'<h@h*R  
7'7o^> !  
p]6/1&t="  
3. 说明：平面波(参考) F~3 &@TWi  
kZQ$Iv+^(  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 rUmnv%qTS  
,%KMi-w]q,  
787}s`,}  
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4. 说明：双线钠灯光源 9$^v*!<z\  
V_9>Z?  
nz`"f,  
 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。 nN(Q}bF  
 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)。 Yt;@@xe&  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 Jh%k:TrBm  
h}%yG{'/M=  
wtQ(R4  
J|b:Zo9<f"  
5. 说明：抛物反射镜 GEAVc9V  
u &{|f  
_LLE~nUK"/  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 w&}UgtEm  
 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。 cKAZWON8;v  
9R|B 5.  
0.!Q4bhD  
(d-j/v*4  
(<#Ns W!z  
+e)RT<  
6. 说明：闪耀光栅 !7anJl
  
|y2cI,&  
.w)T2(  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 ]I0(_e|z}  
 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 2 Xc,c*r  
#e;\Eap  
,lw<dB@7"5  
?T:$:IHw  
rVx?Yo1F'  
 S?m4  
7. Czerny-Turner 测量原理 {%z}CTf#  
!_[^%7"S1  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 w5}2$r  
%LZf=`:(  
\J^|H@;(@  
siGt5RH*  
#FV`*G  
8. 光栅衍射效率 Y+I`XeY  
/h'b,iYVV  
K%"cVqb2V  
 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。 APR%ZpG  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 s*DDO67\W  
 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) {CR'Z0  
*n%J#[e(  
7|Tu@0XXA  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd $?u ^hMU=  
W:16qbK  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 u)fmXoQ  
e RjpR?!\  
#wZ:E,R  
]gQ4qu5  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ]n:)W.|`R  
L?n*b  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ]OOL4=b  
VJeN m3WNb  
nn_j"Nu  
' cl&S
:  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 8y{<M"v+/  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Gm.n@U p  
8?r ,ylUj  
应用示例详细内容 \ oIVE+L/P  
8vcV-+x  
仿真&结果 )5j%."  
WeTsva+  
1. 结果：利用光线追迹分析 jo4*,B1x  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ?q<"!U|e  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 mu/O\'5  
[EJ[Gg0m  
Xo*=iD$Jys  
)[>b7K$f  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ccJ@jpXI  
x.+}-(`W#~  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 8JUUK(&Z  
 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)。 Nd~?kZZu  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度，  (Ia}]q  
$Rsf`*0-  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 +]Y&las  
DH_Mll>  
"S43:VH  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms vb}; _/#?  
2hRaYX,g  
3. 衍射效率的评估 ^Q]*CU+C  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 xaWmwsym  
_n(NPFV  
Qcz7IA  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 hp}J_/+4n  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd '@u/] ra:  
tqE LF  
4. 结果：衍射级次的重叠 V$+xJ  m  
 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。 })|+tZ  
 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)。 6v0^'}  
 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。 $LZf&q:\]*  
 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) FG-w7a2mn  
 光栅方程： `av8|;  
IBWUeB:b  
a2*WZc
`  
!=#E/il,  
U%ce0z  
5. 结果：光谱分辨率 W 0Q-&4  
y5.Z<Y  
9/RbfV[)  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run &eT)c<yhyK  
"';'*x  
6. 结果：分辨钠的双波段
~<3qsA..  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 EW$ Je  
   /J8AnA1  
=V1k'XJ  
Rs:<'A  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 UnZ*"%  
>>wbyj8  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run rB}UFS)  
!J[3U   
7. 总结 BSG_),AH  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 hZ.Sj~>7`  
1. 仿真 jcN84AaRFI  
以光线追迹对单色仪核校。 46*o_A,"  
2. 研究 m~#S76!w  
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。 'Ol}nmJ'n  
3. 应用 l2=.;7IV  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 }#q9>
gx  
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)\`"&.j>N  
扩展阅读 7CABM  
1. 扩展阅读 #;a 1=8H  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 LS4c|Dv  
bc5+}&W  
 开始视频 ,v$gQU2  
- 光路图介绍 BXaA#} ;e  
- 参数运行介绍 '@wYr|s4  
- 参数优化介绍 X_|8CD-@6  
 其他测量系统示例： AShJtxxa  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 0[xum  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) jwTb09