[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) =XfvPBA  
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应用示例简述 qs]W2{-4~  
j1
_>>xB  
1.系统说明 Xf4QLw/r  
T|
~5dZL  
 光源 %J*1F  
— 平面波(单色)用作参考光源 A;co1,]gR  
— 钠灯(具有钠的双重特性) G*=HjLmZg  
 组件 )G2Bx+Z;L  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 T<uX[BO-a  
 探测器 Zux L2W  
— 功率 V^s, 3C  
— 视觉评估 rEa(1(I  
 建模/设计 MXA?rjd0  
— 光线追迹：初始系统概览 6()Jx%  
— 几何场追迹+(GFT+)： (Y~/9a4X  
 窄带单色仪系统的仿真 #wyceEa  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 Hk}P  
Ftyxz&-4$p  
2.系统说明 -RP{viGWK  
Z\0wQ;}  
qsj$u-xhX  
K3zY-yIco  
3.系统参数 /Z2u0jNArP  
)u(,.O[cw  
c]*y
o  
o6u^hG6~'  
}hn?4ny  
4.建模/设计结果 !
Vl)aL  
Ic3a\FTr\  
y>C !cYB  
Yup#aeXY/  
总结 OdNo2SO  
?8753{wk  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 LuRCkKJ  
1. 仿真 "/R?XCBZsb  
以光线追迹对单色仪核校。 6GuTd  
2. 研究 V dJ  
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。 HL{aqT2  
3. 应用 DlzL(p@r  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 
K-'uE)  
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。 ?<J~SF Tt  
kiF}+,z"  
应用示例详细内容 5B%KiE&p  
系统参数 fhg'4FO  
oyiG04H&  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 6EY\  
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。 b0}dy\dnQ  
%]F/!n  
-[*y{K@dh  
$\m:}\%p  
2. 系统参数 7jw+o*;  
I*3>
>VN  
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。 $JOtUB{  
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1,p<>9  
/{j._4c  
z}SJ~WY'[  
3. 说明：平面波(参考) |zRrGQYm  
/pRv i>_(:  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 #+<YFm\i  
n:a~=^IV  
A#`$#CO  
Swf%WuDj  
4. 说明：双线钠灯光源 D_(NLC  
_*z^PkH  
F(j;|okf;  
 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。 9y[U\[H  
 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)。 y.(<  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ;pL!cG@  
_|;d D  
IPTFx )]G  
X#by Dg  
5. 说明：抛物反射镜 p! k~ufU  
|)d%3s\  
CY=lN5!J  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 M:.+^.h  
 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。  rPr]f;  
Pc?"H!Hkn  
'JgCl'k,  
~[F7M{LS  
y<HNAGj  
b*tb$F  
6. 说明：闪耀光栅 WNeBthq6  
q`8 5-  
` ,
SNqi  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Sz|kXk6&9  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 .p Mwa  
8mOGEx  
K8&) kfyI  
"3
++S  
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?x
0
gI   
7. Czerny-Turner 测量原理 r#oJch=  
h=6D=6c  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 # bjK]+  
a~R.">>$  
0)zJG |  
BK)<~I  
@0 x   
8. 光栅衍射效率 V^!^wLLi
 
d"E3ypPK  
7}MnvWP  
 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。 g
[O  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 B1Pi+-t  
 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`<L#6RBT  
m8 _yorz  
KT 6ppo  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd !?).4yr  
Wt@hST  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 "1XTgCu\  
XM"Qs.E  
9Nna-}e?W  
Gj%q:[r  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 p{v*/<.;  
o~CEja&(  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 &PApO{#Q  
3*\Q]|SI!  
D vU1+y  
q$b4S4Z7  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 {jwLVKT$  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 3G<4rH]  
&w`DF,k|  
应用示例详细内容 vf#d  
bYpeI(zK  
仿真&结果 =vQ J2Rg  
<}'=@a  
1. 结果：利用光线追迹分析 Z]tQmV8e  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ]9_}S  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 ?*xH HI/  
Y-st2r[,  
5}w  
3` oOoKX  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd fI<d&5&g  
|& jrU-(  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 z$d<ep{6  
 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)。 &Ruq8n<  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 7TI6EKr  
XR[=W(m}  
 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。 h<>yzr3fN  
'+vmC*-I(  
@OFxnF`
 
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms xsPt  
{,*vMQ<^  
3. 衍射效率的评估 -])=\n!=  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 q &{<HcP  
IoK/2Gp  
-r3 s{HO  
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。 djw\%00&#  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd %yjD<2J;  
v@M^ukk'}  
4. 结果：衍射级次的重叠 zA.0Sm  
 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。 wsH_pF  
 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)。 1kUlQ*[<|  
 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。 y5O &9Ckw  
 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) W\w#}kY  
 光栅方程： nf
GI4ZE  
E'Ux2sh  
Su?cC/  
Yc_(g0NK  
+w?R4Sxjn  
5. 结果：光谱分辨率 tk=S4/VWv  
:Y1;= W  
pz)>y&_o  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run &(32s!qH  
W-&V:S{<  
6. 结果：分辨钠的双波段 XGC\6?L~  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 Vq{3:QBR  
   3b]M\F9  
nu-&vX  
6'@{ * u  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 T{f$S  
ez*QP|F*9  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run q}VdPt>X/  
>{:hadUH  
7. 总结 $of2lA  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 yzzJKucVU:  
1. 仿真 a\}MJ5]  
以光线追迹对单色仪核校。 =EA:fq  
2. 研究 qz (x  
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。 2ag8?#  
3. 应用 &TA{US3~  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 6(4d3}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。 Q3&q%n|<  
扩展阅读 g; ]'  
1. 扩展阅读 nM b@  B  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 j4!O,.!T  
cY_ke  
 开始视频 p:Lmf8EI  
- 光路图介绍 5Lej_uqF   
- 参数运行介绍 2@GizT*mA  
- 参数优化介绍 YE{t?Y\5  
 其他测量系统示例： ]SRpMZ  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) @v#P u_  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) H;=Fq+