[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) RO=[Rr!   
{7[^L1  
应用示例简述 !v<r=u  
..3TB=Z#  
1.系统说明 cfMj^*I  
{f3)!Pei`J  
 光源 ++F #Z(p  
— 平面波(单色)用作参考光源 Ku*@4#<L6h  
— 钠灯(具有钠的双重特性) SJ^.#^)  
 组件 "3LOL/7f  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 U_m<W$"HF  
 探测器 ~4'e)g.hG  
— 功率 IrjKI.PR  
— 视觉评估 7gfNe kr~W  
 建模/设计 `MlQPLH  
— 光线追迹：初始系统概览 'ADt<m_
$  
— 几何场追迹+(GFT+)： 49^;T;'v  
 窄带单色仪系统的仿真 BJ<hP9#  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 rXuhd [!(P  
DGj:qd(  
2.系统说明 m:d P,  
Yvs)H'n=  
Y[i>  
+^Eruv+F  
3.系统参数 f{FW7T}O2  
.slA}  
3_~V(a
 
3bu VU&ap  
{'E%SIRZ)  
4.建模/设计结果 2aX|E4F  
iUFS1SN \  
IkFrzw p  
Bab`wfUve  
总结 E#v}//  
lPSyFb"  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 [U]U *x  
1. 仿真 _(5SiK R  
以光线追迹对单色仪核校。 qxf!]jm  
2. 研究 #Gx%PQ`  
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。
Q4Zuz)r*  
3. 应用 X#'DS&{  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 )."_i64  
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。 YD H!Nl  
qc2j}D0  
应用示例详细内容 !'wh hi  
系统参数 ST5L O#5  
>0Y >T6!  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 -;20|US)u  
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。 ?OW 4J0B'  
7"@^JxYN  
juG?kL.  
Q[kbEhv;  
2. 系统参数 fz\C$[+u  
4='Xhm  
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。 $wg5q\Rv  
KiAWr-~gJ  
>!848J  
zsFzF`[k  
3. 说明：平面波(参考) njtz,qt_;G  
~7+7{9g  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 T$%r?p(s  
"s]r"(MX  
>lQ@" U  
;>np2K<`  
4. 说明：双线钠灯光源 3O7]~5 j1  
c.dk4v%Y5  
L[lX?g?Ob  
 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$v|c%6  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 I{tY;b'w  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ]6L;  
N;4bEcWjp  
1AQVj]#S  
mivb}cKM  
5. 说明：抛物反射镜 6!zBLIYFI  
fb-Lp#!T39  
|0ATH`{  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 g xY6M4  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 94VtGg=b}  
hb#Nm6  
[p3{d\=*?  
ve($l"T  
E! d?@Xr@  
lC/1,Z/M  
6. 说明：闪耀光栅 OL]P(HRm]~  
DmU,}]#:  
*N>n5B2  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 \c}_!.xj"  
 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 v+Eub;m   
Ha~F&H|"O  
Ipro6 I
 
_P
T5  
cq]JD6937  
p3r("\Za,  
7. Czerny-Turner 测量原理 9gq+,g>E_  
2[|52+zhc  
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。 `#HtVI  
V=^B7a.;>  
yPY}b_W  
mi[t1cN)=  
Jq>rA  
8. 光栅衍射效率 8tfM,.]_i  
GDF/0-/Z  
M[ {O%!  
 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。 "DaE(S&
 
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 Zt_~Zxn3  
 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) m`i_O0T  
u7&q(Z&&O  
0N;~(Vt2  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd Q g~cYwX  
l266ufO.u-  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 Ri>4:V3K  
c wNJ{S+  
Q,nJz*AJ  
wZ4w`|'  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 mR|L'[l  
[ Y+Ta,  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 |I[/Fl:  
yPrF2@#XZ/  
6VUs:iO1j5  
"QD>m7  
 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[?GO"ej5  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 }7non  
dx@|M{jz'  
应用示例详细内容 fj|b;8_}l  
f=k_U[b4>  
仿真&结果  `j1oxJm  
}y%c.  
1. 结果：利用光线追迹分析 BLN|QaZ  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 rJZR8bo  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 *b'4>U  
Um}f7^fp^l  
]p8zT|bv  
7s0\`eXo/  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 3v@h&7<E  
0iYo&q'n  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 lZAXDxhnT  
 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)。 Rh}}8 sv  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 0~~yYo&  
Rk,'ujc  
 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。 6r|=^3{  
Y-UXr8  
{E; bT|3z  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ,,SV@y;  
bwM?DY
 
3. 衍射效率的评估 [ *Dj7zt:  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 #f [}a  
@U3:9~Q  
ph}%Ay$  
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。 78 w  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd dz?On\66  
|1GOm=GNK  
4. 结果：衍射级次的重叠 *`} !{ Mb  
 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。 T|8:_4/l  
 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)。 ;L,i">_%u[  
 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。 zYrJHn#vB  
 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) [^Bjmw[7  
 光栅方程： M^*\$K%  
d~AL4~}  
]#Cc7wa  
),CKuq>  
[YP{%1*RM  
5. 结果：光谱分辨率 55'  
U sh
IQh  
DK eB%k  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run NRny]!  
CuD}Uo+u  
6. 结果：分辨钠的双波段 Nc&J%a  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ,]:Gn5~  
   P1AC2<H  
X;H\u6-|>6  
DF_wMv:>^  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ~4pP( JP  
n$N$OFuO  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run Th$Z9+()  
t7l{^d_L  
7. 总结 Ui!l3_O  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 !ej]'>V,X  
1. 仿真 k_{?{:X;y  
以光线追迹对单色仪核校。 Y/
6>OD  
2. 研究 lP*n%Pn)  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 1 _Oc1RM   
3. 应用 B2o
Kvgw  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 =6qTz3t  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 ;@T0wd_i|  
扩展阅读 0 zK{)HZ  
1. 扩展阅读 /!2`pv  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 -$?t+ "/E  
h}!9?:E  
 开始视频 F|{uA/P{  
- 光路图介绍 zBlv?JwG  
- 参数运行介绍 gs;^SRE I  
- 参数优化介绍 l 9 wO x  
 其他测量系统示例： #GLW3}  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ^ZO! (  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) zPND$3&'