[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) .^)UO  
C1T_9}L-A  
应用示例简述 *M7E#bQ5B  
2/,0iwj-  
1.系统说明 zU6a'tP  
UEak^Mm;=2  
 光源 @eqeN9e  
— 平面波(单色)用作参考光源 {f9{8-W<u  
— 钠灯(具有钠的双重特性) > Oh?%%6  
 组件 O7']  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 H1!iP$1#V  
 探测器 T+LJ*I4  
— 功率 $o@R^sJ  
— 视觉评估 \qsw"B*tv`  
 建模/设计  TIy&&_p  
— 光线追迹：初始系统概览 HG/p$L*  
— 几何场追迹+(GFT+)： F>]#}_  
 窄带单色仪系统的仿真 BiE08,n
j  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 Ou'?]{  
^4%Zvl  
2.系统说明 t+CWeCp,  
(3\Xy   
OPpjuIRv  
W{XkVKe1a  
3.系统参数 [fu!AIQ
s  
- ~O'vLG  
&PcyKpyd  
}~Q"s2  
9ykM3  
4.建模/设计结果 lC97_T  
*cWmS\h|  
a:SQ16_?  
;%J5=f%z)  
总结 j:5%ppIY  
`n!viW|tB  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 b(GFMk  
1. 仿真 jc_\'Gr+[  
以光线追迹对单色仪核校。 b7C e%Br  
2. 研究 us?&:L|!=  
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。 mN0=i(H<  
3. 应用 ps1YQ3Ep&  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 B68H&h]D#'  
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。
(7lBID4  
D-9\~gvh  
应用示例详细内容 }:iBx  
系统参数 2k7bK6=nm  
_BnTv$.P  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ^CzYDq  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 \zXlN  
uK*Nu^  
eR']#Q46{T  
KB{RU'?f|  
2. 系统参数 qZ2&Xw.{1  
h -_&MD/J  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 .M|>u_<Qd  
{I%y;Aab8  
h~HB0^|  
c yQ(fIYl  
3. 说明：平面波(参考) ']51jabm  
#?}6t~  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 g=]&A  
E|Bd>G  
M\/XP| 7  
#S QXTR  
4. 说明：双线钠灯光源 1uG=`k8'k  
-Q$nA>trKA  
f
hp)S",  
 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。 74vmt<Q  
 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)。 wN]J8Ir  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 wV<
7pi  
e]W0xC-  
u7]<=*V]  
^,s?e.u$8`  
5. 说明：抛物反射镜 \,W.0#D8v4  
irxz l3   
B5=3r1Ly  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 .{dE}2^  
 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。 "mj^+u-  
euRss#;  
\4~AI=aw,T  
* UcjQ
  
[$:,-Q@  
&a~=
b,  
6. 说明：闪耀光栅 UKB_Yy^Y  
<,39_#H?F3  
P@ypk^v  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 ;i)KHj'  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 NXoK@Y  
XDmbm*~i  
u]vPy ria  
IlZu~B9c  
bAhZ7;T~  
;x[pM_  
7. Czerny-Turner 测量原理 L=A\ J^%  
tW6#e(^l6  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 K^D82tP  
7c1+t_Ew  
>[K?fJ$+  
2;(W-]V?  
;w6s<a@Zh  
8. 光栅衍射效率 Xz1c6mX|o  
mZoD033H  
-{x(`9H;  
 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。 3z,2utH  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 Z] {@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) jb@\i@-  
vo;5f[>4i  
Z;*`fd?8  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd : ^(nj7D  
sco uO$
K  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 FLbZ9pX}  
|HgfV@Han  
A~y VYC6l  
x70N8TQ_gK  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 0VG=?dq  
75Fp[Q-  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 YRa4W.&Yn  
Sr7@buF  
@a;sV
!S{  
hmzair3X  
 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)。 gHH&IzHF  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 XARSGAuw  
iPFL"v<#J  
应用示例详细内容 +FBi5h  
 sL~,  
仿真&结果 m+$/DD^-zl  
;GQm[W([  
1. 结果：利用光线追迹分析 #_p  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 $~o3}&az  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Lw*1 .~  
+3?`M<L0  
}~GV'7d1  
p2a?9R  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd cUM_ncYOP  
w%~qB5wF6  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 U,ELqi\  
 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)。 3GINv3_  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， [J:zE&aj
  
wy\o*P9mG)  
 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。 8!6<p[_  
g5<ZS3tQ  
A?sNXhh  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms yUj;4vd  
6m\*]nOy4  
3. 衍射效率的评估 6NSO>/E  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 f-s~Q4  
5~-}}F  
T:'+6  
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。 ;$[VX/A`f  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd *|CLO|B)  
5 2fO)!  
4. 结果：衍射级次的重叠 @|]iSD&T #  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 X%35XC.n  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 gm}C\q9  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 -MUQ\pZ  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) B*BHF95!  
 光栅方程： KwQXA'  
R>` ih&,)  
b/G8Mr  
M+\rX1T  
TA<hj[-8  
5. 结果：光谱分辨率 - Ra\^uz  
V3%Krn1'  
T+3k$G[e/  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run B\NcCp`5  
@V7;TJk  
6. 结果：分辨钠的双波段 @b8X%0B7  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 :Z]/Q/$  
   CARq^xI-  
J1& A,G
b  
Kl!DKeF  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 /
S/tE  
|\rSa^:5  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 5=Zp%[#  
+6wx58.B&  
7. 总结 =nw,*q +  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 u;QH8LK  
1. 仿真 <)=3XEcb  
以光线追迹对单色仪核校。 ,d3Q+9/  
2. 研究 hw7~i  
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。 t.gq5Y.[  
3. 应用 m]Hb+Y=;h  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 aGdpecv  
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。 / O|Td'Z  
扩展阅读 Bi$ 0{V Z8  
1. 扩展阅读 !XkymIX~O.  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 {_?T:`  
t*5z1T?  
 开始视频 .Gjr`6R  
- 光路图介绍 >2FAi.,  
- 参数运行介绍 4o)(d=q  
- 参数优化介绍 BYkVg2D(  
 其他测量系统示例： Qd9-u)L<  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) m*Q[lr=  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 0EcC