[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) n
a)_8r~  
S]m[$)U%@  
应用示例简述 =t2epIr5  
E
*vi@aI  
1.系统说明 hZy*E[i  
|99eDgK,  
 光源 40XI\yE_?  
— 平面波(单色)用作参考光源 xuF_^  
— 钠灯(具有钠的双重特性) .v{ty  
 组件 XJ+sm^`vOf  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 iatQHn>(  
 探测器 pppbn]%Ob  
— 功率 o~B=[  
— 视觉评估 /~:ztv\$M"  
 建模/设计 c9@*  
— 光线追迹：初始系统概览 wS
DDejg  
— 几何场追迹+(GFT+)： 4Ki'r&L\  
 窄带单色仪系统的仿真 A@+.[[  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 .:}\Z27-c  
ORNE>6J H  
2.系统说明 6._):[_2  
&*iiQ3  
Rk<:m+V=  
A|^?.uIM  
3.系统参数 81&!!qhfS  
= j -  
_>.%X45xi  
FB""^IC?W  
&oBJY'1  
4.建模/设计结果 |Cm}%sgR\0  
iBCM?RiG  
^H'#*b0u  
a%kj)ah  
总结 +e\u4k{3V  
w jF\>  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 HhO$`YZ%>  
1. 仿真 {|cA[#j#  
以光线追迹对单色仪核校。 w[XW>4xK  
2. 研究 -Ac^#/[0  
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。 +_<#8v  
3. 应用 $[d}g  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 n(L {2r  
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。 S}<(9@]z  
a[/p(O  
应用示例详细内容 Cfi5r|S  
系统参数 ^U1;5+2G+~  
m~v Ie c  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 *UTk. :G5  
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。 ${?Px c{-  
xucV$[
f  
uQDu<@5^[  
"H({kmR  
2. 系统参数 $8s&=OW  
6-oQs?  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 z}5XLa^  
rpvm].4  
(HEjmQjE  
,?}TSJKC  
3. 说明：平面波(参考) Cs$g]&a  
8n56rOW!  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 .]" o-(gB  
ji1A>jepF  
TZ/u"' ZS  
&CS=*)>$  
4. 说明：双线钠灯光源 !U91  
\(u P{,ML  
h0GXN\xI  
 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。 @8 pRIS"V  
 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)。 SXhJz=h
 
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 vt1!|2{ h  
Fax73vl|^a  
!({[^[!  
3KqylC&.  
5. 说明：抛物反射镜 @+xQj.jNC  
I?1^\s#L  
S_)va#b#  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 [P<oyd@#  
 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。 u}pLO9V"`  
_H-Lt{k  
'rSM6j  
^*ZO@GNL  
D;Z\GnD  
"Aynt_a.
 
6. 说明：闪耀光栅 #e=[W))  
B${Q Y)t  
rT
x]
%{  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 T3bBc  
 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 I!{5*~ 3  
Er{yQIi0L  
Eg ;r]?|6  
+] Fdg
mK:  
# TvY*D,  
Hi )n]OE  
7. Czerny-Turner 测量原理 WXJ%bH
  
W&*0F~  
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。 -?j'<g0  
Mq-;sPsFP  
%kF6y_h`  
aC;OFINK  
0PZpE "$X  
8. 光栅衍射效率 xw`Pq6  
7%C6gU!r  
h]I ^%7  
 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。 Ty7xjIs  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ?xIwQd0  
 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) y<kW2<?  
orJN#0v4  
E-CZk_K9  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd >]FRHJo_  
li(g?|AD  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 U4Il1| M&  
Zhf+u r  
L_Z>*s&  
3b~k)t4R  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 y4+Km*am,W  
:GK]"sNC  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 Gq?JMq#  
(V#5Cs,o:  
JT!-Q!O}O  
[$$i1%c%Z<  
 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)。 yoQ}m/Cj  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 ).5$c0`U&  
Re-4y5f  
应用示例详细内容 kyMWO*>|  
z`XX[9$qm  
仿真&结果 Rjt]^gb!*  
`5:b=^'D/  
1. 结果：利用光线追迹分析 :hC+r=!I  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ><^ ,  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 uS;N&6;:  
)k$ +T%  
4"7/+6Z  
wX[g\,?}'  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 0sIwU!=vm  
h_n`E7&bG  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 8(]*J8/wt  
 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)。 22$M6Qof]n  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， p%[/ _ -7  
$9bLD >.  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 ].w~FUa  
~qT5F)$B-  
Jpm=V*P  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms NSI$uS6  
_TEjB:9eY  
3. 衍射效率的评估 9Z
w{MM]  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 p
?PK8GL  
`|(S]xPHM  
hv (>9N  
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。 mQUI9  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 9vZ:oO  
vY)5<z&  
4. 结果：衍射级次的重叠 nHyqfd<V>  
 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。 :Y>FuE  
 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)。 wNl{,aH@  
 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。 B63puX{u#  
 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) VH M&Y-G  
 光栅方程： j]P'xrWl]8  
<x-7MU&  
A{|^_1  
P@| W\  
W-D{cU  
5. 结果：光谱分辨率 (P'{A>aHl0  
As{"B  
n37P$0  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run Nk2n&(~$  
rel_Z..~  
6. 结果：分辨钠的双波段 z;iNfs0i$  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 Gn&=<q:H  
   Uhs/F:E[A  
[eLMb)n  
6({TG&`!]  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 1 K(0tG:5  
G9_7jX*  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run g^I?u$&E  
y7^E`LKK  
7. 总结 z=/&tRe W  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 {;5\#VFg  
1. 仿真 7w\L<v
Fm  
以光线追迹对单色仪核校。 ;x.5_Xw{.  
2. 研究 ZSvU1T8  
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。 fj|X`,TiZ;  
3. 应用 y=!7PB
_\|  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 `NySTd)\  
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。 +N}yqgE  
扩展阅读
%-fQ[@5  
1. 扩展阅读 zt;aB>jz#  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ?[?;%Y  
;W{2\ Es  
 开始视频 P](/5KrK  
- 光路图介绍 X6<Ds'I  
- 参数运行介绍 >t#5eT`_ w  
- 参数优化介绍 Tm\a%Z`U>  
 其他测量系统示例： G4rd<V0[D  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) +\-cf,WkI  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 7bk`u'0%