[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) Z&A0hI4d  
n6/fan;  
应用示例简述 a/b92*&k  
]9s\_A9  
1.系统说明 J)#S-ZB+'k  
nW11wtiO.  
 光源 ^Wm*-4  
— 平面波(单色)用作参考光源 ?&6Q%IUW1  
— 钠灯(具有钠的双重特性) w]F!2b!  
 组件 '=p?  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Si]X rub  
 探测器 QhsVIta  
— 功率 6(>WGR
 
— 视觉评估 ZL,6_L/  
 建模/设计 js -2"I  
— 光线追迹：初始系统概览 I )5<DZB9  
— 几何场追迹+(GFT+)： ]=|P<F  
 窄带单色仪系统的仿真 nSHNis  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 0X#+#[W  
qEZ!2R^`G  
2.系统说明 Mb1wYh  
G%$}WA]|  
@%:E }  

Ok,HD7  
3.系统参数 s*.3ZS5  
83Uw  
FllX za)  
2eHx"Ha  
`H"vR:~{  
4.建模/设计结果 p_r4^p\  
6<PW./rk:  
F)7j@h^
 
~2(]ZfO?>H  
总结 h9jc,Xu5X  
p(?g-
  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 op.d;lO@  
1. 仿真 F<gMUDB  
以光线追迹对单色仪核校。 T0Q51Q  
2. 研究 \C7q4p?8  
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。 7gr^z)${J  
3. 应用 R(`]n!V2  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 \?dTH:v/E  
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。 2LC w*eT{)  
X|'2R^V.  
应用示例详细内容 ,_bp)-OG  
系统参数 |Qr:!MA  
AOAO8%|I  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 *Dc@CmBr  
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。 j76%UG\
Ga  
{mf.!Xev
 
OJ>iq@>  
<]'|$8&jY  
2. 系统参数 >jKjh!`)!e  
tgB=vIw?3  
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。 *6P
'q4)  
mrqaM2,(I  
}1@E"6kF  
H?{MRe  
3. 说明：平面波(参考) 87}(AO)  
6KO(j/Gwp  
 采用单色平面光源用于计算和测试。
~of,,&  
Pk:zfC?4  
t}~UYG(h~  
!-,Ww[G>  
4. 说明：双线钠灯光源 x_W3sS]ej  
Wc\+x1:8  
#R<G,"N5  
 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。 &F`L}#oL&  
 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)。 ^RDU p5,T  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 E-F5y  
bvp)r[8h  
]5)"gL%H`  
`M0YAiG  
5. 说明：抛物反射镜 v2=/[E@  
,5. <oDH  
I&\4C.\>  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 JhH`uA&  
 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。 yzg9I  
7UDq/:}Fo  
-=sf}4A  
{G%3*=?,j  
> Y]_K  
PkO!'X  
6. 说明：闪耀光栅 ^Et,TF\  
+4HlRGH  
H:{?3gk.P3  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 l=NAq_?N\  
 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 !t%Q{`p  
.R\p[rv&  
`-u7 I  
QoWR@u6a  
2`E!|X  
Ck@M<(x  
7. Czerny-Turner 测量原理 o?y"]RCM  
-%i#j>  
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。 1lsLG+Rpxi  
3C#RjA-2[  
r@Nl2  
&+]x;K  
3(o7co-f  
8. 光栅衍射效率 1OP"5f  
-f 4>MG  
^}@`!ON  
 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  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 -$9~xX  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) ,ex]$fQ'  
5;(0 $4I  
sjb-Me?  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd #@E(<Pu4`  
6i-*N[!U  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 PLdf_/]-  
g}YToOs  
3;A$
<s  
{KsVK4\r  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 )tvc/)&A}  
y qkX:jt  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 CC>($k"  
Vf$1Sjw  
KX=/B=3~  
{Hr>X  
 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)。 =EWD |<  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 cCk1'D|X[e  
I:HV6_/^-G  
应用示例详细内容 RyE_|]I62u  
}H; ]k-)  
仿真&结果 A(NEWO  
WSS(Bm|B  
1. 结果：利用光线追迹分析
H(?e
&Qkg  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 pJn>oGeJ&  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 $82zyq  
7> )l{7  
v=>3"!*  
C`pan /t  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 418gcg6)  
v|>BDN@,6  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 OoSa95#x  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 9T/<x-FD  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， Rn8#0%/Q  
9c%(]Rn:  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 /CbkqNV  
.C6gl]6y@  
<9T [yg  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 9'l.TcVm`,  
. rRc  
3. 衍射效率的评估
u>1v~3,r#  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 4">84,-N  
P^ by'b+zI  
{8_:4`YZ  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 :ECw \_"0$  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd N!Rt;Xm2@  
uz8nRS s  
4. 结果：衍射级次的重叠 wH#Lb@cfZ0  
 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。 rtoSCj:  
 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+C+$?4NG  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 W%w82@'  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) N#mK7|\c?:  
 光栅方程： ;>sq_4_  
oA[2)BU  
N%:D8\qx  
<x^IwS  
3$;J0{&[i  
5. 结果：光谱分辨率 O$YJku  
I)qKS@  
/]P%b K6B  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 6CCZda@  
!:&2+%  
6. 结果：分辨钠的双波段 bXk:~LE  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 Id; mn}+~  
   ^o,y5,  
A5`#Ot*3  
zjzqKdy}F  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 3J23q  
 j@s=ER  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run Uzy;#q  
^a: Saq-}  
7. 总结 @fUX
)zm>  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 &?&'"c{;m  
1. 仿真 (8+.#1!*  
以光线追迹对单色仪核校。 'cWlY3%t  
2. 研究 PpI+@:p[  
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。 PL9zNCr-[  
3. 应用 Aigcq38  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 RRK^~JQI.2  
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。 Tq_1wX'\  
扩展阅读 t"jIfU>'a/  
1. 扩展阅读 2X qPZ]2g  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 bf&.rJ0  
d{vc wZQ  
 开始视频 N4
[B:n  
- 光路图介绍 sASAsGk<  
- 参数运行介绍 hlYS=cgY=  
- 参数优化介绍 g6tWU  
 其他测量系统示例： T<w*dX7F0K  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) iPR!JX _  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) <T4 7kLI