[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) Rc7.M"wzjX  
*7vue"I*Z  
应用示例简述 x\;GoGsez  
$wXih#7  
1.系统说明 'j /q76uXV  
7jZrU|:yu(  
 光源 'o8\`\'H!  
— 平面波(单色)用作参考光源 )K.R\]XR  
— 钠灯(具有钠的双重特性) uf0^E3H  
 组件 #HcI4j:s!  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 2TCRS#z  
 探测器 xucIjPi]
 
— 功率 H5^Y->  
— 视觉评估 @5*xw1B  
 建模/设计 k*9%8yi_ U  
— 光线追迹：初始系统概览
6(5c7R#  
— 几何场追迹+(GFT+)： Cs;<'[_?YO  
 窄带单色仪系统的仿真 6Wu*.53  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 $pBr &,  
I_L;T  
2.系统说明 >?Qxpqf2  
pqd4iR Wv  
NFM-)Z57  
^AH-+#5  
3.系统参数 )ldUayJ  
/op/g]O}  
"x.88,T6  
z5I^0'  
;W4:#/~14  
4.建模/设计结果 `i{4cT8:  
z7$}#)Z7  
4jD\]Q="1  
!%)L&W_  
总结 1o)=GV1  
z+2u-jG  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 oYGUjI  
1. 仿真 Cg?I'1]o6  
以光线追迹对单色仪核校。 {)jk_&c7  
2. 研究 $/
y%[ .  
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。 >T$7{ ~  
3. 应用 ^K*~ <O-  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性
c8!j6\dC*  
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。 G:){^Z?  
7j{Te
)"  
应用示例详细内容 rQuOt  
系统参数 Ny[s+2?  
mKMGdN~  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 IFkvv1S`
 
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。 V4qZc0<,H  
c[6zX#{`  
iu+zw[f  
] +sSg=N7i  
2. 系统参数 @b>YkJDk  
vJzxPy|  
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。 9O2a | d  
Ed8U;U b  
" Tw0a!  
R0z?)uU#  
3. 说明：平面波(参考) 939]8BERt  
qLu8!|QT  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 23,%=U  
k^~@9F5k  
wZ}n3R,   
X~`.}
 
4. 说明：双线钠灯光源 cG<Q`(5~  
FL5ibg  
U=_~{[/  
 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。 lsN/$M|}  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 LJ:mJ#  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 o x03c  
o$^O<zL  
:K!GR  
CAA tco5  
5. 说明：抛物反射镜 7Q<Kha  
wGZ>iLe:  
@|jKO5Y  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 BvNl?A@]A  
 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。 
7/[TE  
ktkn2Twa/  
[w+yQ7P  
9 kTD}" %2  
Ki&WS<,0Z  
sj?`7kg  
6. 说明：闪耀光栅 u-]vK  
!4DGP28  
1oXz[V  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 KY;uO 8Te  
 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 Po2_ 0uX  
HMl!?%%  
nph7&[xQI  
oP 6.t-<dU  
v^FV t  
S&;T_^|  
7. Czerny-Turner 测量原理 )Gu0i7iN  
P':]A{<Z  
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。 P'FPe55F  
Y`E{E|J  
>llwNT  
ZEXj|wC
 
J7 Oa})-+'  
8. 光栅衍射效率 Lqz}&A   
c,{&  
bahc{ZC2  
 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。 J,(U<%n  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 2Mv)0%,c  
 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) 9!Q $GE?vl  
>Rz#g*@E  
n9mM5H47  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 4
jq`No_  
%nG~u,_2f  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 WsK"^"Z  
P^uP$D  
)edU <1P  
)f:!#v(K  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 "'&>g4F`o  
uHujw.H/y  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 OLd$oxKR  
3f7t%  
K
"t:B  
(<g;-pZH%  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 {YxS
H%  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 G*{u(x(  
A{u\8-u  
应用示例详细内容 lN=m$J  
Fh3Dc 83~  
仿真&结果 C7c|\T  
\V!X& a  
1. 结果：利用光线追迹分析 ??esB&4?  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 jmZ|b6  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 {TcbCjyw  
{XVf|zM,  
~[ ks|  
Pvb+  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd eA~_)-Z-  
(Db*.kd8,  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 :n%sU*'T  
 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)。 (VF4FC  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， y1jGf83  
D/%b@Ls2ze  
 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。 Pc\4QvQ8  
<EMLiiNY  
dBD4ogo1  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms p;QX"2  
f>, Qhl  
3. 衍射效率的评估 OrKT~JQVC&  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 Al-%j- j@-  
-T>wi J  
xZ{|D  
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。 .of:#~  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 5M.n'*   
I!i#=  
4. 结果：衍射级次的重叠 JEkIbf?=r  
 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。 ]mLTF',5  
 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)。 l4BO@  
 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。 Hh'14n&W  
 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) eMPQ| W  
 光栅方程： 7<C~D,x6  
Lq8Z!AIw>  
;hRpAN  
v%PWr5]  
N~K)0RETn  
5. 结果：光谱分辨率 ,+5VeRyrV  
x2IU PM  
fylA0{  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 2 DNzC7}e  
:tS>D5dz(  
6. 结果：分辨钠的双波段 kjKpzdbD  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 OTjryJ^  
   ,I:m*.q  
tH|Q4C  
CFrHNU  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 Tk|;5^#H  
JU,RO
oz(  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run :@807OYzy  
';T5[l,  
7. 总结 {*r$m>HpM  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 E1 gTrMo  
1. 仿真 ~9'4w-Sy  
以光线追迹对单色仪核校。 3[O =2  
2. 研究 7(+ZfY~w"  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 3usA  
3. 应用 4a50w:Jy]  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 u|*|RuY  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 C-b%PgA  
扩展阅读 48NXj\L[y  
1. 扩展阅读 ua>~$`@gX  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 N~<}\0  
i}{Q\#=#  
 开始视频 VKJ~ZIO@A  
- 光路图介绍 &Or=_5Y`  
- 参数运行介绍 ,(kXF:  
- 参数优化介绍 7a_n\]t465  
 其他测量系统示例： fy-Z{  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) NX #d}M^V  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) {gHscj;SM