[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) Y/4B*>kl  
mO\6B7V!  
应用示例简述 7N:,F9V<  
Z)ObFJMG5  
1.系统说明 wvgX5P>  
ptsi\ 7BG  
 光源 0>AA-~=-  
— 平面波(单色)用作参考光源 P!-9cd1C,  
— 钠灯(具有钠的双重特性) N"
. af)5  
 组件 VJPt/Dy{  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 | 0&~fY  
 探测器 =T+<>/[  
— 功率 jfI|( P  
— 视觉评估 Bt.WRRpAB  
 建模/设计 .<tb*6rX>  
— 光线追迹：初始系统概览 Gz kf  
— 几何场追迹+(GFT+)： h-6kf:XP%  
 窄带单色仪系统的仿真 =XqmFr;h  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 \oaO7w,:"  
J0{0B=d;  
2.系统说明 n0cqM}P@;!  
w 5,-+&;  
WyO10yvR  
hnyZXk1|  
3.系统参数 T]0qd^\4w  
**oN/5  
`i<U;?=0'  
n}YRE`>D  
VRT| OUq  
4.建模/设计结果 JH2d+8O:qK  
QV" |  
pvcD 61,  
Bl(we/r  
总结 38rC; 6  
%kyvtt  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 9CxU:
;3  
1. 仿真 B1\}'g8%f  
以光线追迹对单色仪核校。 %\CsP!  
2. 研究 O,hT< s "  
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。 n)[{nkS6[  
3. 应用 Sl{]Z,  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 j]YS(Y@AY  
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$KLQ'0"n  
^ @sg{_.~l  
应用示例详细内容 =r#of|`Q  
系统参数 "*<9)vQ6|  
|tyVC=${  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 LG@5Z-  
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。 XB^o>/|@S  
PjDYdT[  
>DPC}@Wl  
m{;2!  
2. 系统参数 &h')snp:#  
+Y6=;*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。 TU^UR}=lP  
A-qdTJP  
gm(`SC?a  
yd'>Mw  
3. 说明：平面波(参考) G-~+FnUC  
T5Yu+>3  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 j0>Q:hn  
Nxp7/Nn3  
bU7n1pzW,o  
P|l62!m<  
4. 说明：双线钠灯光源 $@s&qi_&R  
;3'ta!.c  
b:SjJA,HM  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 wL\OAM6R  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 zT 9"B  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 JgEPzHgx  
!g'kWE[  
'H0uvvhOp  
*?:V)!.2z  
5. 说明：抛物反射镜 I r]#u]Ap  
(_ HwU/  
Op0n.\>  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 Zi/tax9C  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 5bKM}?=L  
C8W#$a  
aA7}>  
B<zoa=  
m:SG1m_6  
'1+s^Q'pc  
6. 说明：闪耀光栅 f{mWy1NH\  
i&=I5
$  
{<+B>6^  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 *t=8^q(K[  
 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 ]Dec/Nnj  
W|'7)ph  
4z%::?  
_UI*W&*  
hg4d]R,  
ZRHK?wg'#  
7. Czerny-Turner 测量原理 41Ga-0p  
A{NKHn>%`  
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。 1 etl:gcEC  
[J{\Ke0<e1  
xP/?E  
*hWpJEV  
UI2TW)^
2  
8. 光栅衍射效率 e<A6=}  
3u[m? Vw  
?TWve)U  
 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。 -+ylJo[D  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 fJ<I|ZZ  
 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) (w[#h9j  
b'r</ncZ  
2i0 .x  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd
 R.x^
  
x%_VzqR`  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 0{Uc/  
u1 Z;n  
!WSY75  
Lh@0|k  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ;*u"hIl1/  
NTWy1  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 [J!jp&o  
OCW0$V6;D-  
(1IYOlG4  
U_Jchi,!  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 *jR4OY|DXH  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 &u+l`F^Z  
TW?_fse*[  
应用示例详细内容 baQORU=X  
C]EkVcKFA  
仿真&结果 q]scKWYI  
d4~;!#<  
1. 结果：利用光线追迹分析 !),eEy  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 #Mw 6>5}<  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 yopC <k  
jFDVd;#CS  
|`|#-xu  
HVdy!J  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd %g_)_ ~  
`.z"Q%uz  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 X;bHlA-g  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 `- HI)-A97  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， ty8>(N(~  
&t~NR$@  
 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。 Rtu"#XcBw+  
_`I}"`2H  
O=[Q>\p  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms KS'n
$  
?:tk8Kgf  
3. 衍射效率的评估 ))%f"=:wt  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 DaS~bweMw  
29AE B  
"4IrW6B$9  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 .C\2f+(U  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd GaCRo7  
`# U<'$  
4. 结果：衍射级次的重叠 Cnr=1E=  
 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。 <z#.J]  
 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)。 d
s9U9t
 
 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。 ExhK\J  
 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) G|oO  
 光栅方程： sWmqx$  
sYhHh$mwA  
~GE|,Np  
=8vNO
vA  
c,^W/:CQAB  
5. 结果：光谱分辨率 s~QIs  
%+htA0aX  
|:.s6a#(  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run o~<jayqU  
IL`LIJ:O  
6. 结果：分辨钠的双波段 znB+RiV8  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ch2m Ei(  
   {)iiu  
OMW]9E  
8.G<+
.  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 R4X9g\KpAt  
%+nM4)h  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run W__Y^\~  
deQ{  
7. 总结 a@Vk(3Rx_  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 `YUeVz>q?  
1. 仿真 rK3KxG  
以光线追迹对单色仪核校。 9OFH6-;6`\  
2. 研究 ,A&`WE  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 T Xiu/g(  
3. 应用 LGw-cX #  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ALn_ifNh  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 ;HBKOe_3  
扩展阅读 S|xwYaoy%  
1. 扩展阅读 T+x /J]A  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 7Vk9{x$z  
h oO847  
 开始视频 C=CZtjUt  
- 光路图介绍 bo/<3gR  
- 参数运行介绍 '%ByFZzi  
- 参数优化介绍 <& 3[|Ca  
 其他测量系统示例： \03<dUA6  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) Z t4q= Lr  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) MLlvsa0