[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) .hzzoLI2  
g=XvqD<  
应用示例简述 '=Nb`n3%  
RXxi7^ U  
1.系统说明 F>dB@V-  
c>6dlWTqX  
 光源 MX2]Q  
— 平面波(单色)用作参考光源 #^|y0:  
— 钠灯(具有钠的双重特性) %@k@tD6  
 组件 ]bLI!2Kr  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 %JF^@\E!|  
 探测器 4>-'wMW")  
— 功率 :PE{2*  
— 视觉评估 'y[74?1  
 建模/设计 #>iBu:\J  
— 光线追迹：初始系统概览 @.0>gmY;:  
— 几何场追迹+(GFT+)： _~/F-  
 窄带单色仪系统的仿真 zo6|1xq  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 *?x$q/a  
Kkcb'a
DR  
2.系统说明
K|,P  
=PYfk6j9  
Y3=5J\d!a  
H=RzY-\a%  
3.系统参数 |;sL*Vr  
iO 9.SF0:  
zisf8x7^W  
'9@S  
C~-x637/  
4.建模/设计结果 `?f6~$1  
: fMQ,S0  
Kh&W\\K  
w"ZngrwBl  
总结 C@d*t?  
 bi/ AQ^  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 J_NY:B  
1. 仿真 P1C{G'cR  
以光线追迹对单色仪核校。 iMjoatt  
2. 研究 K</EVt,U~  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 )l?1dR:sP  
3. 应用 JYbsta  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Iue}AGxu:{  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 uDD{O~wF,  
}?G([s56  
应用示例详细内容 sjGy=d{:oL  
系统参数 >x?x3#SX  
C2t]  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 la4 #2>#WZ  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 cD.a
f
y  
corNw+|/w  
}aO6%  
|"}oGL6-  
2. 系统参数 BOt1J_;(rO  
X* 4C?v  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 _D+pJ{@W  
{g9*t}l4  
1Hl-|n  
^AhV1rBB  
3. 说明：平面波(参考) 
_E %!5u  
j<NZ4Rf  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ly[j=vBV  
7N:3  
Gh%R4)}  
[}$jO,H5r  
4. 说明：双线钠灯光源 '+EtnWHs  
f \ E9u}  
='A VI-go5  
 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。 H!'Ek[s+  
 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)。 3d>8~ANi=%  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 wqxChTbs  
YCl&}/.pA  
1X5M
knA  
3vXa#f>P<  
5. 说明：抛物反射镜 |N5r_V  
h;Hg/jv  
F(O"S@  
 利用抛物面反射镜以避免球差。
WOg pDs  
 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。 3</W}]$)p  
s(Y2]X4 (  
KvjsibI/Y  
2Tp@;[!3  
Nl]_Ie6  
o75l
&`  
6. 说明：闪耀光栅 Ql
i#=0{`  
}j$tFFVi~  
; ,Nvg6c  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 )\KU:_l  
 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 E3LEeXcLS  
^jbjHI&  
mzRH:HgN?  
)%q!XM  
Qz4eQlWhp  
B?%e-xV-  
7. Czerny-Turner 测量原理 dVMduo  
4A`U [r_>D  
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。 `h%K8];<6f  
d>gQgQ;g  
s6F0&L;N&  
~9y/MR  
HTLS$o;Q  
8. 光栅衍射效率 *Sg6VGP  
/HH_Zi0?N|  
DHg)]FQ/  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 (gRTSd T?  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 :}UjX|D  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) CwM1 _3cE  
x)jc  
DH7]TRCMZ)  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd {[4.<|2
6  
"!Qi$ ]  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 j.!5&^;u4  
e?7y$H-  
j#~ S"t  
IyEfisOK?  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 Y[N@ )E_G  
T[evh]koB  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 o@m7@$7  
\JC_"gqt  
U2)?[C1q{  
X?YT>+g;  
 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)。 b0sj0w/  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 c
Q;@z2\  
7z_ZD0PxPc  
应用示例详细内容 6?ky~C
V  
_?]W%R|  
仿真&结果 nA(5p?D+YB  
^RE[5h6^q  
1. 结果：利用光线追迹分析 v^J']p  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 d/3bE*gr  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 ^M1jv(  
194n
  
{Hie%2V  
|{ =Jp<}s  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ~z^49Ys:  
KjMwrMgC  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 baBPf{<  
 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)。 F~0iJnF  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， TS`m&N{i")  
._]*Y`5)d  
 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。 p1[|5r5Day  
HWIn.ij  
guVuO  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms fRxn,HyV  
n2dOCntN>  
3. 衍射效率的评估 <00nu'Ex1v  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 :]4s;q:m  
r:PYAb=g  
Em4'b1mDX%  
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。 m
o9(2@~<  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ~1XC5.*-  
#F6<N]i  
4. 结果：衍射级次的重叠 .AQTUd(_  
 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。 mG1!~}[  
 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)。 ?^J%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。 RD0*]4>]  
 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) M;W&
#Fz%  
 光栅方程： M1]w0~G  
i03=Af3  
GDs/U1[*  
nltOX@P-  
j >`FZKxp  
5. 结果：光谱分辨率 8QMMKOui\  
A~v[6*~>  
8#R%jjr%T  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run t<"`gM^|  
MR: H3  
6. 结果：分辨钠的双波段 |z8_]o+|r1  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 1;?w#/&t  
   ~.6% %1?  
T*S)U ;  
mKE'l'9A_  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 {t4':{Y+  
cd~QGP_C  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 's5H_ah  
<(~Wg{  
7. 总结 xb"e'Zh  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 rLY I\  
1. 仿真 SmRFxqtN  
以光线追迹对单色仪核校。 t|9vb  
2. 研究 v9!]/]U^  
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。 ks69Z|D  
3. 应用 d|`8\fq  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性
IF@vl  
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。 \rT>&o .i  
扩展阅读 7*%}=.  
1. 扩展阅读 gv&Hu$ca  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 s'd\"WaQV  
~
]Av$S  
 开始视频 /XA*:8~!  
- 光路图介绍 JaR!9GVN7  
- 参数运行介绍 [w-# !X2y  
- 参数优化介绍 r
[^O 7  
 其他测量系统示例： D><^7nr%  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 82V;J 8T?  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) il"pKQF