[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) W!z=AL{  
/'}O-h  
应用示例简述 z&d&Ky  
,y?0Iwf  
1.系统说明 .t0Q>:}&b  
jO$3>q  
 光源 ?E2/ CM  
— 平面波(单色)用作参考光源 oO>mGl36H  
— 钠灯(具有钠的双重特性) [*#ms=Zdc  
 组件 [:sV;37s  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 )}7rM6hv  
 探测器 p}}o#a~V),  
— 功率 kL,AY-Iu{@  
— 视觉评估 6`{Y#2T  
 建模/设计 HkEfBQmh  
— 光线追迹：初始系统概览 {cKKTDN  
— 几何场追迹+(GFT+)： !5Kv9P79  
 窄带单色仪系统的仿真 4?,N;Q  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 $ T.c>13  
Yyby 1  
2.系统说明 L*1C2EL/q  

+^!&-g@(  
7 rOziKZ"  
Y:/z)"u,C  
3.系统参数 &aaXw?/zr  
J(VJMS;_  
Y+sycdq  
u:3~Ius  
=zt@*o{F  
4.建模/设计结果 c Q|nL  
SI)u@3hl&w  
tD.md_E  
 =h\,-8  
总结 &hEtVkK  
1pVagLlb:7  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 'q8T*|/  
1. 仿真 )}1J.>5  
以光线追迹对单色仪核校。 I8)x0)Lx  
2. 研究 (qnzz!s  
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。 3@*J=LGhKc  
3. 应用 lphQZ{8  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 \IbGNV`q  
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。 kFW9@!9  
5\V>Sj(  
应用示例详细内容 c%yhODq/  
系统参数 +dcBh Dq  
)'KkO$^&  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 [84ss;.$  
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。 #TM+Vd$  
HP^<2?K  
oQ1>*[e<u  
] hGU.C"(  
2. 系统参数 $+!/=8R)  
x4Mq{MrWp  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 LWuciHfd+  
9`81br+~  
5fMVjd  
@k>}h\w  
3. 说明：平面波(参考) fwK5p?Xhm  
YD_hg#=n  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 [QEV6S]  
`+[Ct08  
s4/4o_[W  
OOn{Wp  
4. 说明：双线钠灯光源 V}o`9R@tx}  
lk]q\yO_%  
W+d=BnOa8  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 ]KdSwIbi  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 j\iE3:94$  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 GKTt!MK  
uT:'Kkb!  
n]^zIe^6  
L_3Ao'SA  
5. 说明：抛物反射镜 z{Z4{&M  
7ESSx"^B
 
o{7wPwQ;*  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 lKWe=xY\B  
 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。 r#rL~Rsd}  
.\XFhOsa  
gb+iy$o-  
!Hq$7j_  
g<pr(7jO  
h|qTMwPr  
6. 说明：闪耀光栅 /9T.]H~  
'/8{Mx+  
0M=A,`qk  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 D1hy:KkAv]  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 D$@5$./  
{\zTE1X9  
]Fi_v?42x  
'. 5&Z  
uH*moVw@5  
)!z4LE  
7. Czerny-Turner 测量原理 yp}J+/PX}  
4Z8FLA+T,  
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。 : EA-L  
kjAARW  
#gW"k;7P  
tVfZ~qJ  
eX)'C>4W  
8. 光栅衍射效率 R!&9RvNw  
u@&e{w~0  
J9aqmQj('  
 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。 0zQ~'x  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 xER-TT#S  
 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) `q
oRnG  
_[)f<`!g_V  
|D*a"*1+A  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd "w7{,HP  
-S\gDB bb  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 }%75Wety  
\ -n&z;`  
,GeW_!Q[  
<JUumrEo  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 r:{;HM+  
Ms<v81z5T  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 /1@py
~ZX  
GVT| fE  
pyUzHF0  
xA
wP  
 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)。 #W$6[#7=I  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 G*s5GG@Z.  
-%fc)y&$  
应用示例详细内容 /,d]`N!  
B,V:Qs6"  
仿真&结果 d9iVuw0u<  
a``/x_EZMn  
1. 结果：利用光线追迹分析 Y{KN:|i.!  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 8Y"R@'~  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 .R^R32ln  
lvOM1I  
rS>@>8k2,  
nt:Z
O,C:R  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd [L>mrHqG  
73j\!x  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 1y3)ogL  
 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)。 qrHCr:~  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， ECsb?n7e  
'}
l7=r   
 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。 0VnRtLnqI  
:W.pD:/=v  
-{2Vz[[  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms (}RTHpD  
/Qu<>#[?  
3. 衍射效率的评估 rF$S  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 |F4)&xN\  
g'+2bQ  
QVF561Yz  
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。 %0p9\I  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd RD6>\9  
Fs}B\R/J  
4. 结果：衍射级次的重叠 nP
&6i5s%  
 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。 !eHQe7_  
 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)。 E]Qd5l  
 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。 FK
tG  
 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) nt%fJ k  
 光栅方程： c!kzwc(  
SJ}PV:x  
y*Gq VA[  
ba tXj]:  
~tLvD[n[  
5. 结果：光谱分辨率 B?db`/G9  
$0cE iq?Hf  
$azK M,<q  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run aI>F8R?  
DW>O]\I  
6. 结果：分辨钠的双波段
|['SiO$)  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 G%junS'zt  
   2eRv{_  
a$EudD#+  
]|N"jr?7H  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 peew<SX  
tb>Q#QB&u  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run |2GrOM&S  
J vl-=~  
7. 总结 {z9,CwJan?  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ?
Ld:HE  
1. 仿真 P_P~c~o  
以光线追迹对单色仪核校。 &p+2Vz{  
2. 研究 sY[!=`@  
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。 rM4Ri}bS  
3. 应用 xouBBb=  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 /eBcPu"[Vb  
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。 5Z(q|nn7P  
扩展阅读 -M+o;  
1. 扩展阅读 |RBL5,t^  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 gk}.LE  
]D^zTl3=q  
 开始视频 F ~e}=Nb  
- 光路图介绍 p
f#R]  
- 参数运行介绍 ~iIFe+6  
- 参数优化介绍 VrKLEN\  
 其他测量系统示例： s]HJc
gI  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) Sq5}v]k@&  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 1lsg|iVz