[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) b><
jhbv  
z.23i^Q  
应用示例简述 0O4'Ts ?  
$I_04k#t  
1.系统说明 BX
ueOvO8  
q|2{W.P5qi  
 光源 E*Vx^k$  
— 平面波(单色)用作参考光源 oMda)5 &  
— 钠灯(具有钠的双重特性) #
m 3WZ3t$  
 组件 a AYO(;3
  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 HCQv"i}-  
 探测器 G~)jk+Qq  
— 功率 ><OdHRh@#  
— 视觉评估 aq"E@fb  
 建模/设计 :YjOv  
— 光线追迹：初始系统概览 ?zUV3Qgzj  
— 几何场追迹+(GFT+)： #Q6wv/"Ub  
 窄带单色仪系统的仿真 d%9I*Qo0,  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 P&| =  
/6F 1=O(c>  
2.系统说明 ,IuO;UV#)  
S$%/9^\jF  
6 6x} |7  
U._ U!U  
3.系统参数 3leg,qd  
#f.@XIt'  
0
5*_h0}  
.5L/<  
 9 N=KU  
4.建模/设计结果 8q7KqYu  
c%pW'UE&  
O~d!*A  
eJ{"\c(  
总结 <Q\`2{  
f]T1:N*t  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 H?40yu2m5  
1. 仿真 sLbz@54  
以光线追迹对单色仪核校。 ABhza|  
2. 研究 F&lc8  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 WbH/K]/1)h  
3. 应用 %n}fkj'  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 z('93vsO  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 l[G,sq"  
nq/xD;q  
应用示例详细内容 +6<MK;  
系统参数 pI(FUoP^  
1b3Lan_2  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 |nry^zb  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 .[cT3l/t  
2SG|]
=  
BqZLqGOKu  
*B:{g>0  
2. 系统参数 qx0o,oZN!  
*kyy
''r  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 .v1rrH?  
5tq$SF42X  
=Bo0Oei  
)CR8-z1`  
3. 说明：平面波(参考) )STt3.  
E=s`$ A  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 HqYaQ~Dth  
vy|}\%*r~  
fE7WLV2
I>  
P\zi:]h[Gh  
4. 说明：双线钠灯光源 dje3&a  
4zf#zJw  
&u=FLp5  
 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。 u]dpA  
 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)。 Q ;k_q3  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 82/iVm1  
|=%$7b\C  
&OzJ^G\o  
;'o>6I7Ph  
5. 说明：抛物反射镜 vN4X%^:(  
["L?t ^*G  
yp*kMC,3  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 Ue,"C
Q6H  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 V|a59[y?  
Y(A?ib~K  
R*&3i$S
 
i;dr(c/ft  
UT{Nly8u  
&H+<uYV  
6. 说明：闪耀光栅 *n[Fl  
v#/,,)m  
R6:N`S]&d[  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 6|jE3rHw  
 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 *v5y]E%aW  
1gm{.*G  
SfR!q4b=  
 E;|\?>
 
G:
&Q)_  
WYzY#-j  
7. Czerny-Turner 测量原理 %vThbP#mR|  
#{?oUg>$  
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。
GYs4#40  
kU^@R<Fo  
R1m18GHQ  
~ZDdzp>  
>qgBu_  
8. 光栅衍射效率 d z\b]H]  
&a(w0<  
~,guw7F  
 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。 i*;
V4zh  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 D
0]9 -h  
 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) kN) pi "  
]E3g8?L  
wGxLs>| 4  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd ;
s!H  
E
Xi+
pm  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 a
&cV@~  
Bh.'%[',  
c~C W-%wN  
>L(F{c:  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 (l^lS=x  
V,"'k<y  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ejQCMG7  
s1FBz)yCY=  
y7Ub~qU  
^49moC-  
 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)。 R.QcXz?d  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Jzj~uz  
x?F{=\z
/o  
应用示例详细内容 %2+]3h>g  
LH8?0N[  
仿真&结果 :({<"H)!'  
`fRy"44nR  
1. 结果：利用光线追迹分析 )}aF=%  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 W | }Hl{}  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 @88 efF  
sDC RL%0QK  
{+EPE2X=C  
2=|IOkY  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 9..k/cH  
~_&.A*Jh  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 M}<=~/k`j
 
 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)。 Rb0{t[IU  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， -a[{cu{  
mc=*wr$  
 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。 _7<U[63  
Y[DKj!v  
`3KprpE8v  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ?uN(" I  
..:V3]-D  
3. 衍射效率的评估 >KPJ74R  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 i=D,T[|>a  
( A)wcB  
5HN<*u%z  
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。 ("6W.i>  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd yd~fC:_ ]  
{;E/l(HNI  
4. 结果：衍射级次的重叠 -(.7/G'Vk>  
 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。 12a #]E  
 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)。 abnd U,s  
 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。 o;mIu#u  
 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) %np#Bv-L  
 光栅方程： lo:~~l  
Om  
)'~FDw\6  
}v,THj  
Y zS*p~|  
5. 结果：光谱分辨率 mW-W7-JhO7  
q#`^EqtUF  
m #QI*R XP  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run JWL J<z  
Y,yaB)&Ih  
6. 结果：分辨钠的双波段 o}A #-  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 !&lPdEc@T  
   Ak Tw?v'  
PuaosMn(9  
;l()3;  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 0Q>|s_  
_vH!0@QFU  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run !@{[I:5  
3L?a4,Q"k}  
7. 总结 VWy:U#;+8  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 yXx62J  
1. 仿真 b]BA,D4  
以光线追迹对单色仪核校。 zDyeAxh4  
2. 研究 ZPao*2xz  
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。 )c/y07er  
3. 应用 k+$4?/A  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 %n25Uq  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 zI!R-Nb  
扩展阅读 QV$dKjMS  
1. 扩展阅读 q&Wwtqc9  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 p,\bez  
]a#]3(o]}  
 开始视频 tcEf ~|3  
- 光路图介绍 7 afA'.=  
- 参数运行介绍 N>%KV8>{L  
- 参数优化介绍 sDm},=X}  
 其他测量系统示例： ]wpYxos  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) kZ-~ ;fBe  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ',`4 U F