[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) e\9H'$1\  
l"C)Ia&/  
应用示例简述 12Lc$\3P  
Po ,zTz  
1.系统说明 ls^|j%$J  
=b{!p|  
 光源 shn{]Y  
— 平面波(单色)用作参考光源
THFzC/~Q  
— 钠灯(具有钠的双重特性) mYE8]4  
 组件 A9?h*/$  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 I3#h  
 探测器 ;;*'<\lP.j  
— 功率 qoifzEc`U  
— 视觉评估 ,h#U<CnP#  
 建模/设计 ^GyGh{@,f  
— 光线追迹：初始系统概览 C6!P8qX  
— 几何场追迹+(GFT+)： Fz3QSr7FU  
 窄带单色仪系统的仿真 YgeU>I|v  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 l'K3)yQEJ  
zUe)f~4  
2.系统说明 viLK\>>  
U1.w%b,  
K F:W:8  
^2|G0d@.:  
3.系统参数 pejG%pJ  
.5t|FJ]`$  
FtEmSKD  
hDP&~Mk  
K4H U9!  
4.建模/设计结果 HxH.=M8S_  
OLl?1  
#?V7kds]  
]Uy cT3A  
总结 Y!+q3`-%T  
ql+tqgo  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 !6d6b@Mv  
1. 仿真 " iKX-VIl  
以光线追迹对单色仪核校。 x'uxSeH$  
2. 研究 /IkSgKJiz\  
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。 DNh{J^S"}w  
3. 应用 #wvmVB.5~  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ](z?zDk  
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。 iJr 1w&GL$  
?eU=xO  
应用示例详细内容 h/AL`$  
系统参数 :J'ibb1  
xpzQ"'be  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ~kkwPs2V  
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。 h|D
KD.  
uqN:I)>[P  
'/h~O@Rw  
L, k\`9bQ  
2. 系统参数 qM|-2Zl!+  
DH5]Kzb/  
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。 8%Wg;:DZx  
pFUW7jE  
$;ssW"7~Qn  
4Y=sTXbFt  
3. 说明：平面波(参考) 7Lv5@  
3=SN;cn  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 X`,]@c%C`  
x;G~c5  
p-6(>,+E[  
]Q%|69H}B  
4. 说明：双线钠灯光源 UB4M=R|  
T9c=As_EM  
9aE.jpN  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 LMV0:\>  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 dV5aIj  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 WC?}a^
8  
+Yuy%VT  
|<YoH$.  
q*h1=H52  
5. 说明：抛物反射镜 [qMFLY$  
U;QN+fF]u  
x+L G4++  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 |&>!"27;w  
 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。 z_jTR[dY  
][b2Q>  
pxF<L\L?:  
iTt#%Fs)4M  
nt"8kv  
jv"^_1  
6. 说明：闪耀光栅  `#m>3  
]/_GHG9  
^aW?0qsH  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 L 1fK  
 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 q0}
?F  
K}]0<\N  
Z1(-FT6O  
dXe. 5XC  
l<](8oc. w  
lu GEBPi  
7. Czerny-Turner 测量原理 I3 %P_oW'  
W[dMf!(  
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。 Lnk!zj  
bEXm@-ou  
e<wRA["  
%7_c|G1  
gAx8r-` `  
8. 光栅衍射效率 i>Cxi ZT  
S+i .@N.^  
^GXy: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。 a=55bEn  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 xr2ew%&o  
 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) u#+p6%?k  
[":[\D'  
a?+Ni|+  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd X9:(}=E V  
!~'\Ey  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 dh7PpuN{  
CIM9~:\  
A%VBBvk  
g5EdW=Dt,  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 XsldbN^6  
n0X_m@  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 "EoC7 1  
5(/
5$u   
oCLs"L-r{  
=5P_xQx  
 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)。 QK5y%bTSA  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 ."m6zq  
!;SpQ28  
应用示例详细内容 eJMD8#  
vT<q zN  
仿真&结果 CfMq?.4%E}  
TtL2}Wdd.%  
1. 结果：利用光线追迹分析 7'[C+/:  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 HQ%-e5Q  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 $*| :A  
(D'Z
4Y  
TQ?D*&  
)OqN\  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd c<V.\y0x  
mT.p-C  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 Fj9/@pe1  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 2`#jw)dM;}  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， #vy:aq<bjE  
Z
QvpkO7}M  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 YyX/:1 sg>  
'676\2.  
l`2X'sw[/  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms eNlE]W,=  
?Z@FxW  
3. 衍射效率的评估
c
7j^OP  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 QdKxuG  
9.|+KIRb  
&XosD
t  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 =2#a@D6Bl  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd O)MKEMuA  
\?[#>L4  
4. 结果：衍射级次的重叠 d\`A ^  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 ^4Ra$<  
 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)。 :GC<U|p  
 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。 8T'=lTJ  
 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) N2_j[Pe  
 光栅方程： +dm&XW >  
cL&V2I5O  
7?K?-Oj  
'kc_OvVA  
eI?<*  
5. 结果：光谱分辨率 *b?C%a9  
{ p {a0*$5  
*LeFI%  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run (Q !4\Gy  
;YxQo o>  
6. 结果：分辨钠的双波段 >_U)=q  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 88}c+V+N!  
   sk!v!^\_r  
@EzSosmF  
@.fuR#  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 zIWw055W  
GZ\;M6{oh  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run AiSO|!<.N  
QBa1c-Y  
7. 总结 ~=HN30  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 H,q
IHQW#  
1. 仿真 gZgb-$b  
以光线追迹对单色仪核校。 QthHQA  
2. 研究 ;Jt*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。 PYqx&om  
3. 应用 {*H&NI  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 T#^  
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。 s)"C~w^  
扩展阅读 %'j)~  
1. 扩展阅读 Y((s<]7  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 K1Nhz'^=D  
i]*Wt8~!  
 开始视频 JxI}#iA  
- 光路图介绍 Rd;k>e  
- 参数运行介绍 )JE;#m0q  
- 参数优化介绍 .Vux~A  
 其他测量系统示例： 3q  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) jcQ{,9 H`l  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) `pzp(\lc