[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) "'i" @CR  
G3r9@2OC  
应用示例简述 VEUdw(-?s  
#RIo63
  
1.系统说明 L&*/s&>b  
B{`4"uEb$G  
 光源 @!;EW R]  
— 平面波(单色)用作参考光源 AC'$~4  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 7=Vs1TVc  
 组件 6@N?`6Bt  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Pi^5LI6JW  
 探测器 <]9%Pm#X  
— 功率 &}N=a  
— 视觉评估 ?<7o\Xk#{  
 建模/设计 _DlkTi5(w  
— 光线追迹：初始系统概览 (+_i^SqK  
— 几何场追迹+(GFT+)： "otks\I<  
 窄带单色仪系统的仿真 "'M>%m u  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ze5Hg'f  
YbX3_N&  
2.系统说明 G?`x$UU  
Hjho!np  
`/+%mKlC|[  
SiBhf3   
3.系统参数 g8I=s7cnb  
?z "fp$  
A$w0+&*=  
HW0EPJ  
Y6
J7N^  
4.建模/设计结果 ?hW?w$C  
[;IW'cXNq  
qT U(]O1  
T!GX^nn*O  
总结 .'+*>y!  
)@%wj;>a  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 F.nJXZnJ  
1. 仿真 ve#*qz Y  
以光线追迹对单色仪核校。 oN0p$/La  
2. 研究 Ib$*w)4:  
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。 |(mr&7O  
3. 应用 y(I_ 6+B^  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 S}0W<H P  
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。  rkp 1tv  
ulcm  
应用示例详细内容 K]0Q=HY{.  
系统参数 $-Ud&sjn  
F0cde  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 je9eJUKE  
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。 F4=+xd >0  
QH_0U`3  
R`7v3{  
)+
'
De  
2. 系统参数 OK=lp4X  
vY+{zGF  
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。 0zSRk]i.f  
.I6:iB  
$]&0`F  
zvvF9  
3. 说明：平面波(参考) ]e*Zx;6oi  
.Pp;%  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 \,U#^Vr  
SAuZWA4g[  
pHW Qk z(  
Q}a, f75  
4. 说明：双线钠灯光源 aD2+9?m  
)X8?m <cG  
Rnl 4  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 xB&kxW.;  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 lq4vX^S  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 9t`Z_HwdCb  
M?61g(  
Hh/Z4`&yi  
-c^/k_n  
5. 说明：抛物反射镜 {nyQ]Nu"  
R@h@@lSf  
<"SDU_<xG  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 UfE41
el:  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 MNy)= d&<P  
f87>ul!*  
EYe)d+E*  
a@1r3az  
1|_8+)i;  
hq5=>p  
6. 说明：闪耀光栅 LU#DkuIG  
,bv?c@  
W*'gqwM&  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 8J&K_JC^  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 Q?Au.q],  
x]({Po4  
c$<7&{Pb  
@J[l^o9  
8vN}v3HV&  
Y0kDHG  
7. Czerny-Turner 测量原理 /a
e]v+  
W]8tp@  
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。 VrV* -J'  
QK+s}ny  
<K8$00l
m  
PI"&-lXI-m  
Z19d Ted33  
8. 光栅衍射效率 8&AHu  
.3(=UQ  
$(2c0S{1  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 #8N9@  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 C*e)UPK`  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) d|,,,+fS  
=4RBHe
8`  
B3 mD0  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd mp_
(ke  
~YxLDo'.t  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 _IAvFJI  
yFt'<{z[nL  
jni }om  
u8Ul +u  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。
dXKv"*7l  
GHQa{@m2V  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 
bSW!2#~  
Z`fm;7NiVG  
>\Qyg>Md]  
7)S;VG k  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 ^s@?\v  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 tS2P|fl  
*iSsGb\M%  
应用示例详细内容 z3IQPl^  
MSPzOJQPy  
仿真&结果 )t G`a ;  
q#v&&]N=  
1. 结果：利用光线追迹分析 H'uRgBjWJ  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 <De29'},y  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 A[lkGQtS4  
e_6@oh2s-  
&~ g||rq  
aHKv*-z-  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd EP#3+BsH  
XVi?-/2  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 4|fI9.  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 zosJ=$L  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 6:i(<7  
!+T9NqDv[  
 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。 7Rr(YoWa  
V0m
WY!i  
o.5w>l!9K  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms [w
AI;=.  
4#mRLs'  
3. 衍射效率的评估 .bbl-a/ 3  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 `gq@LP"o  
ugg08am!  
9)p VDS  
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。 uX@RdkC  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd u\zRWX  
|+//pGx  
4. 结果：衍射级次的重叠 Oy$*ZG)  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 *]
%{ttR~  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。  +Io^U  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 vukI`(#  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) H kDT14 `&  
 光栅方程： QK-_~9V  
}<w/2<T[  
a4FvQH#j  
Ch607i=  
b,YTw  
5. 结果：光谱分辨率
xMDx<sk  
w">XI)*z  
L.bR\fE   
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 0qSd#jO  
tWVbD%u^  
6. 结果：分辨钠的双波段 '7Dg+a^x7  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 :
(,uaX>{  
   )'(7E$d  
-~eNC^t;W  
fB[I1Z  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 _wp6rb:8!  
Px&*&^Gf[b  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run y4s]*?Wz  
k}y1IW+3  
7. 总结 yhQv $D,^f  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 3dNOXk,#  
1. 仿真 )BudV zg  
以光线追迹对单色仪核校。 po+>83/!oq  
2. 研究 TI:-Y@8  
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。 #(-V^T  
3. 应用 {ScilT  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 j}Lt"r2F  
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。 ,g%2-#L%  
扩展阅读 ]+Yd#<j(u  
1. 扩展阅读 PiXegh WH  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 }X94M7+->  
r-'(_t~FT  
 开始视频 NK]X="`  
- 光路图介绍 A1x?_S"a  
- 参数运行介绍 roYoxF;\  
- 参数优化介绍 #R<4K0Xan  
 其他测量系统示例： =7ul
,  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) j K?GB  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) *[@lp7