[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) YZtd IG  
GWWaH+F[h  
应用示例简述 D$NpyF.87
 

*_}0vd  
1.系统说明 #<u;.'R  
C'Y2kb  
 光源 !<~cjgdx  
— 平面波(单色)用作参考光源 /J&DYxl":  
— 钠灯(具有钠的双重特性) ]0|A\bE\S  
 组件 ),xD5~_=q  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 '^$+G0jv  
 探测器 E8p,l>6(f  
— 功率 V s=o@  
— 视觉评估 yg~@}_C2_  
 建模/设计 ###>0(n  
— 光线追迹：初始系统概览 vEGI  
— 几何场追迹+(GFT+)： }owl7G3  
 窄带单色仪系统的仿真 MQ0rln?  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 CHD.b%_|  
_G25$%/LU  
2.系统说明 39F e#u  
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u-mD"  
 vP? T  
3.系统参数 ]H\tz@ &  
iJmzVR+  
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4.建模/设计结果 've[Mx  
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总结 OIjSH~a.  
zZ<
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模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 (hQi {  
1. 仿真 4udj"-V  
以光线追迹对单色仪核校。 rzLW@k  
2. 研究 j|!t3}((  
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。 mo(>SnS<  
3. 应用 #h4FLF_w  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 P~iZae  
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。 n&?)gKL0g  
ZrZDyXL  
应用示例详细内容 eR6vO5to  
系统参数 \4C[<Gbx$(  
U/|JAg#  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 EUQtl_h/H  
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。 o; U!{G(X  
;^E_BJm  
& 0WQF
  
$60`Hh 4/  
2. 系统参数 VfP\)Rl
 
JEMc_ngR!  
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。 uN>5Eh&=Pf  
vZ.<OD4  
e t@:-}  
a }*i [  
3. 说明：平面波(参考) a'dlAda  
#Nco|v  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 N@}h  
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Qx8(w"k*  
dt+r P%  
4. 说明：双线钠灯光源 nb<oo:^  
;+6><O!G  
Z[ (d7  
 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。 eNVuw:Q+  
 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)。 !U1 vW}H  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 P R3Arfle  
AovBKB $  
/sT?p=[.  
voN~f>  
5. 说明：抛物反射镜 gkA_<,38  
"*F`,I3  
-GHd]7n  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ih^FH>@  
 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。 ,$>l[G;Bm  

Vdd  
WulyMcJ  
3,6f}:CG  
=|ODa/2p  
.SER,],P  
6. 说明：闪耀光栅 rVl 8?uy  
*vuI'EbM  
s8>y&b.  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 ; teM^zyI  
 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 GJrmK  
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U$& '>%#  
7. Czerny-Turner 测量原理 e(|Z<6  
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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_U
"M@  
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7H< IO`  
.O5V;&,
  
-9,~b9$  
8. 光栅衍射效率 s_VcC_A  
AguE)I&m  
vJ^~J2#5  
 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。 }P.Z}n;Uj  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 A`Y^qXFb`  
 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) PDuBf&/e  
D_
czUM  
SM4`Hys;p  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd ;..z)OP
_  
_ s3d$C?B  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 &|#[.ti1  
2*z~'i  
Xi[]8o  
{>msE }L  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 !uW*~u  
_r{H)}9  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 \+O.vRc"M  
<;PKec  
=zK4jiM1  
[B)!  
 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)。 |;wc8;  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 k!0O[U  
'A7!@hVy  
应用示例详细内容 ^?+[yvq  
?8"*B^*Sh  
仿真&结果 Jp]?tlT  
`M6"=)twu  
1. 结果：利用光线追迹分析 P7XZ|Td4*
 
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 bAZoi0LR  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 W?
.469yy  
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3Zb?  
-?)^ hbr  
{jB>]7  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd nWIZ0Nde'  
/h+ W L  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 W{"sB:E  
 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)。 \~E?;q!  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， $e7%>*?m  
xyk%\&"7  
 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。 7b>_vtrt  
xj>P5\mW#  
2M
Rd  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms b},2A'X  
9efey? z  
3. 衍射效率的评估 rxgSQ+G_  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 L?d?O  
:kR>wX  
iv~R4;;)  
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。 j*?8w(!  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd T:@6(_Z  
nD BWm`kN  
4. 结果：衍射级次的重叠 //2O#Fg{/  
 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。 lfHN_fE>Mq  
 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)。 \DQu!l@1U  
 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。 {fACfSW6  
 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) . fja;aG  
 光栅方程： Z&Ob,Ru  
A r]*?:4y[  
Lxp}o7>K  
MrHJ)x"hy  
:6nD"5(  
5. 结果：光谱分辨率 gvuv>A}vJ  
LVB wWlJ  
q8d](MaX  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run kJ5z['4?  
.8|wc  
6. 结果：分辨钠的双波段 p6<JpW5@_  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 $WI
VCp  
   ?0/$RpFEM#  
YQN:&Cls  
hAf/&yA@  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 F}u'A,Hc  
Q&]|W Xv  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 9Y.(xp &vw  
!y b06Z\f  
7. 总结 #]jl{K\f#X  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 "Wg,]$IvU  
1. 仿真 /(JG\Ut  
以光线追迹对单色仪核校。 ^\ x'4!W  
2. 研究 `#ruZM066  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 GfELL`yz  
3. 应用 wPM>-F  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ]%A> swCpn  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 Q^f{H.  
扩展阅读 dzOco)y  
1. 扩展阅读 p$\>3\  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ~6i'V?>  
}"TQ\v$  
 开始视频 i4|R0>b  
- 光路图介绍 vWoppt  
- 参数运行介绍 $@'BB=i  
- 参数优化介绍 oM!&S'M/  
 其他测量系统示例： L=#NUNiXr  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 5FR#CQ  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) OWewV@VXR