[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) GHO6$iM)[  
{mB!mbr  
应用示例简述 7b7WQ7u  
'A9Z ((  
1.系统说明 |_hIl(6F5N  
?aguAqG$  
 光源 pM~-o?  
— 平面波(单色)用作参考光源 "-Pz2QJY  
— 钠灯(具有钠的双重特性) _:%i6c*"  
 组件 ('2Z&5  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 DUwms"I,%  
 探测器 >2ha6A[  
— 功率 $$XeCPs0  
— 视觉评估 F<^f6z8  
 建模/设计 Fd<eh(g9P  
— 光线追迹：初始系统概览
&(m01  
— 几何场追迹+(GFT+)： ByacSN  
 窄带单色仪系统的仿真 kJ?AAPC  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 RIDl4c [  
SX&Q5:  
2.系统说明 ornU8H`  
@aP1[(m
 
>uYU_/y$2  
0es\ j6c  
3.系统参数 MpTOC&NG%s  
'>HLE)l  
f@k.4aS  
r5y*SoD!  
EMDYeXpV  
4.建模/设计结果 W\<HUd  
i1K$~  
!3{;oU%*  
<`?%Cz AO  
总结 e-%q!F(Bf  
y8Rq2jI;(e  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 c& K`t  
1. 仿真 *m2?fP\  
以光线追迹对单色仪核校。 R:rols"QM  
2. 研究 X]o"vx%C  
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。 ]<K"`q2  
3. 应用 pK ^$^*#  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Y[W:Zhl;  
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。 k9;t3-P  
clk]JA (  
应用示例详细内容 )i_:[ l6  
系统参数 V9Dq<y-y  
2%*\XPt)  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 8m?cvI  
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。 qj
4jM7  
j6j4M,UI43  
%m|1LI(  
Hv2[=elc  
2. 系统参数 $<"I*l@  
:, 3S5!(y  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 Z:^ S-h  
~SmFDg$/m  
s< Fp17
 
Xq<_r^  
3. 说明：平面波(参考) 2.\"Q  
% [~0<uO  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 X<5&R{oZ  
G&t|aY-   
rHuzGSX54  
5"(FilM  
4. 说明：双线钠灯光源 g1:%986jv  
jfVw{\l  
RS#C4NG  
 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。 *_P'>V#p  
 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)。 nwzyL`kF  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 Vol}wc  
,6o tm  
H}q$6WE  
Ps<k2  
5. 说明：抛物反射镜 ;.b^&h  
gI"cZ h3}  
D6"d\Fm<  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 [)kuu  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 r8!pk~R5]  
- P"  
.$ YYN/+W  
gVy`||z  
PS=q):R|  
;lSsy  
6. 说明：闪耀光栅 7j29wvSp5  
7#Uzz"^  
F/[m.!Eo  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 J1Az+m  
 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 /a9CqK  
NqveL<r`  
{B e9$$W,  
M%RH4%NZ0  
Y\+LBbB8  
2+b}FVOe\  
7. Czerny-Turner 测量原理 TtH!5{$s  
l2YA/9.  
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。 8TK*VOf`  
2\1bQq\  
MOay^{u  
c=QN!n:  
Bk^o$3#  
8. 光栅衍射效率 HLdHyK/S  
=BJe}AV  
Q04 `+Vr  
 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。 `M. I.Z
_  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 2@
@evQ  
 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) .p?SPR  
Xr'b{&  
8R-;c
BT
 
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd @1<VvW=  
SqdI($F\:  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 :z *jl'L  
7+IRI|d  
-WR<tkK  
"Nz@jv?  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ^zS;/%  
Azp!;+  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 zSu,S4m_;  
?STO#<a  
~jmI`X/  
{E7STLQ_%  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 F%af05L[  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 @*
- 6DG-f  
OdNcuiLa  
应用示例详细内容
uPxjW"M+  
WwWCNN~}  
仿真&结果 m6]6!_  
ll- KK`Ka  
1. 结果：利用光线追迹分析 7s!rer>  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ' I!/I  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 eH[i<Z  
TeO'E<@  
9?~6{!m_9  
:^xNHMp!  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd M)AvcZNs  
&A`,hF8  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 fakad#O  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 ,?Zy4-  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， V<;_wO^  
*!{&n*N  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 x;-D}#  
+Ar4X-A{y  
@Y>PtA&w*  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms n2Mpo\2  
}gB^C3b6  
3. 衍射效率的评估 6A}tA$*s7  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 Z,81L3#6  
J&}1=s  
`D$^SHfyz  
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。 rmtCCPF?0  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd LnN:;h  
$#3[Z;\  
4. 结果：衍射级次的重叠  H{Lt,#  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 2tCw{Om*  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 rc~)%M<[2  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 .tyV=B:h  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) {;z
Hkmx  
 光栅方程： aNQ(xiskb  
6d2eWS  
3>73s}3  
81(\8#./  
lA;^c)  
5. 结果：光谱分辨率 ?~#[cx  
JO&RuAq  
5MZv!N  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run D/%v/m
pj$  
v0tFU!Q%  
6. 结果：分辨钠的双波段 p>:.js5.a  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 {4f%UnSz(  
   TcJJ"[0  
8}4.x3uw  
pY&dw4V  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 Br&&#  
@~N"MsF3  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run )1R[X!KQ7  
@H(7Mt  
7. 总结 aRI.&
3-  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 $=^}J6  
1. 仿真 (nuTfmt>  
以光线追迹对单色仪核校。 -eS r  
2. 研究 \u[5O@v#  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 "&^KnWk=  
3. 应用 (b&Z\?"  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 R\#5;W^  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 &TrL!9FtJ  
扩展阅读 .pm%qEh  
1. 扩展阅读 TL7qOA7^X  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 0Q,Tcj  
yfR0vp<&  
 开始视频 /Dt:4{aTOC  
- 光路图介绍 ]VtP7Y  
- 参数运行介绍 5nceOG8  
- 参数优化介绍 Z("N *`VP;  
 其他测量系统示例： b].U/=Hs  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) [eTEK W]  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) xy$aFPH!-