[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) Ix~_.&  
3'3E:}o|  
应用示例简述 F%|F-6  
% \N52  
1.系统说明 tAPn? d5  
F{,<6/ayRz  
 光源 P)D2PVD  
— 平面波(单色)用作参考光源 #7(?B{i  
— 钠灯(具有钠的双重特性) ZDn5d%  
 组件 T)N_~f|  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 VDy2!0  
 探测器 oJ4OVfknD  
— 功率 Y8l 8B>  
— 视觉评估 4gKu8G  
 建模/设计 #
^FDG1=  
— 光线追迹：初始系统概览 bEvlk\iql  
— 几何场追迹+(GFT+)： I!-"SuBy4J  
 窄带单色仪系统的仿真 t_ju[xL5B  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 2&b?NqEeZ  
' v)@K0P  
2.系统说明 , yd]R4M  
}Zuk}Og9+  
FUTD/y]Lu  
]:"<if gp$  
3.系统参数 |J:|56kVZq  
'DeI]IeP  
,y>Sq +  
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4.建模/设计结果 G>@KX  
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$:l>g)c  
NP#6'eH\  
总结 ?:woUTyCv  
KA#P_e{<@  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 `AcUxnO  
1. 仿真 Ga$J7R  
以光线追迹对单色仪核校。 _-+xzdGvX  
2. 研究 9'" F7>d  
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。 4it^-M  
3. 应用 -xVp}RLT  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性
R`HC EX)  
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。 QKB*N)%6  
m8ApiGG  
应用示例详细内容 hj4mbL  
系统参数 >}7Ml  
^Ay>%`hf*  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 %iq8
dAW%  
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。 4roqD;5|~|  
E;MelK<8(  
0d|DIT#>?  
BB9+d"Sq  
2. 系统参数 \?_M_5Nb  
umo<9Y  
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。 '>:c:Tewy  
DQI b57j
 
tv 7"4$T  
fMm.V=/+  
3. 说明：平面波(参考) <zWMTVaC  
q@=3`yQ  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 AW<"3 !@  
dTrz7ay
H  
259R5X<V  
2 r';)8:  
4. 说明：双线钠灯光源 oAprM Z7Y  
nh'TyUd!  
"$krK7Z  
 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。 |>zYUT[V  
 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)。 /6{P ?)]pE  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 : *8t,f~s^  
zI.%b7wq  
<N(r-  
8= "
01  
5. 说明：抛物反射镜 5HC5   
RRUv_sff  
"&%Lhyt  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 wTe 9OFv  
 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。 ty\F~]Oo  
wx*03(|j;  
Zg&o][T  
SVn $!t  
hX)PdRk#  
V\nj7Gr:sF  
6. 说明：闪耀光栅 Am@:<J  
-P:o ^_)g  
A}4 ",  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 J{U 171  
 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 {\vcwMUzZ  
D k<NlH zp  

z 4qEC  
hw({>cH\  
v\2-%  
QV[#^1  
7. Czerny-Turner 测量原理 $d*PY_  
*X /i<  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 |)*9BN  
?0tm{qP  
:MihVLF  
RxE.t[  
?*^HZ~O1  
8. 光栅衍射效率 t{-*@8Ke  
|OiM(E(  
4MrUo9L$s  
 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。 6~OJB!  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 }R!t/8K  
 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) ;(@' +"  
H=*lj.x  
$It3}?>C'  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd HX{K5+  
F~sUfqiJ'  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 #T=e p0  
q 7-ZPX  
;}H*|"z;!  
VG_xN
M  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 1i&|}"  
q"i]&dMr  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 {>Hn:jW<.  
c_T+T
/O  
9-Z?  
Vn65:" O  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 SLz;5%CPV  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 y~'%PUN  
uO>pl37@  
应用示例详细内容 7+;.Q  
qpjiQ,\:b  
仿真&结果 udS&$/&GH  
'p[*2J"K4  
1. 结果：利用光线追迹分析 D?FmlDTr[  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 hU3sEOm>  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 XAN.Plk  
N/eus"O;  
"E@A~<RKP  
gZBb/<  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd hka%!W5  
vVZ+u4y  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 5me#/NqLHY  
 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)。 ;ojJXH~$}  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， -jzoGzC3  
N cp   
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 <'48mip  
klMpiy  
W$<Y**y9m  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms SmAii}-jf  
kjDmwa+91T  
3. 衍射效率的评估 T 0qM"  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 u2IU/z8 ^  
DyCkz"1S  
Gx*B(t]4y  
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。 _U9.u#>sV  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd $rJgBN  
BSL+Gjj~}  
4. 结果：衍射级次的重叠 7uf5w0]
  
 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。 4aKppj  
 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)。 jZH4]^De  
 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。 +-T|ov<  
 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) `.Zm}'  
 光栅方程： #.vp\W  
)%<,JD  
OdOn wY  
DXFDs=u  
!K+hXQE1  
5. 结果：光谱分辨率
mi1^hl'2  
*\B(-  
'-mzt~zGOY  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ,M:[GuXD<  
I%($,kd}s  
6. 结果：分辨钠的双波段 1!yd(p=cL  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 aPRMpY-YC3  
   i(Zz
E  
z "z  
C^c<s  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 `sA xk  
%&0/Ypp=  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 8kC
$Z)  
 FLZ9Rg  
7. 总结 WJI}~/z;C  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 tvBLfqIr  
1. 仿真 ^=a:{["@!  
以光线追迹对单色仪核校。 pMY7{z  
2. 研究 G$luGxl[  
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。 _v(5vx_ {  
3. 应用 (N/-blto  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 /q8B | (U  
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。 stMxlG"d  
扩展阅读 R+!oPWfb  
1. 扩展阅读 5s;@;V  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。
H=w6  
CEBu[TT/9  
 开始视频 l8:!{I?s=  
- 光路图介绍 Ups0Xg&{  
- 参数运行介绍 F/,6Jh  
- 参数优化介绍 <f=<r*6  
 其他测量系统示例： t~)4f.F:  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) }@/Ox  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) `t44.=%