[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) Rw`64L_
  
p3cb_  
应用示例简述 7@!3.u1B  
yO J|t#  
1.系统说明 uVZX53 ,g  
] N7(<EV/  
 光源 Y]"lcr}  
— 平面波(单色)用作参考光源 "'I|#dKoG  
— 钠灯(具有钠的双重特性) <
_<?p&  
 组件 Pt7yYl&n7^  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 )JA^FQ5N  
 探测器 na] 9-~4  
— 功率 n,b6|Y0  
— 视觉评估  75T+6u  
 建模/设计 vF'Y; M  
— 光线追迹：初始系统概览 249DAjn+  
— 几何场追迹+(GFT+)： d+IN-lR(  
 窄带单色仪系统的仿真 _#6*C%ax  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 J L2g!n= K  
Z67'/z$0  
2.系统说明 mS &^xWPV  
)C0 y<:</  
S1_):JvV  
1 o\COnt  
3.系统参数 _16r8r$V  
U{8x.
CJ]  
C=P}@|K  
$`"$ZI6[  
&B} ,xcNO  
4.建模/设计结果 LOe l6Ui  
r<_qU3Eaj  
vk|xYDD  
m~8=?R+m  
总结 5DVSaI$ =  
<
d$t*vnq  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 c- "#  
1. 仿真 UZ7ukn-  
以光线追迹对单色仪核校。 :2AlvjvjZ  
2. 研究 aoU5pftC  
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。 p)*x7~3e  
3. 应用 u~1 ,88&U  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 j%fi*2uX  
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$6mtw6[M  
x{$/|_  
应用示例详细内容 Ap!i-E,"J  
系统参数 o
pon"{  
V_jGL<X|  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 rVDOco+w  
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。 +pbP;zu  
r/RX|M  
F&D,y-CQ  
>xIb|Yp)&  
2. 系统参数 [lE^0_+  
snyA  
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。 U]O>DM^'  
6'jgjWEe3&  
k3&/Ei5  
C@@PLsMg  
3. 说明：平面波(参考) p+^K$w^Cs  
!+n'0{  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 H.)J?3  
82yfPQ&UI  
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*!`bC@E  
4. 说明：双线钠灯光源 MN_1^T5  
,gIeQ!+vy  
%=i/MFGX  
 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。 mN'
sJ1L-  
 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)。 WM GiV  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ,A>cL#Oe  
NX?6 (lO,  
:-cqC|Y  
:<xf'.  
5. 说明：抛物反射镜 SHqz&2u  
kjO
I7`DU  
Fhs/<w-  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 BJnysQ  
 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。 bJFqyK:6  
g\@zQ^O?  
M&0U@ r-  
"cDc~~3/@  
/!W',9ua6  
e(jD[q  
6. 说明：闪耀光栅 |O[ I=!  
|kqRhR(Ei  
EP6@5PNZ  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 &}VVr
  
 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 B'D~Q  
[B%:!Q)@  
u\=yY.   
l/56;f\IA  
jgT *=/GH2  
2z9N/SyN  
7. Czerny-Turner 测量原理 *r iWrG  
>S:+&VN`M  
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。 'HvJ]}p  
]{=qdgJ  
#6nuiSF  
TGI`}#  
,ydn]0SS  
8. 光栅衍射效率 /^
,/o  
;i&t|5y~  
I
6[=tB  
 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。 *NQsD C.J^  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 =${ImMwj  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) Z xR  
LO)p2[5#R  
.a}!!\@  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 6o]>lQ}  
Ej'N!d.  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 fs*OR2YG7  
1yjP`N  
A"~Oi  
M/jdMfU  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 &5R-bYGW  
l1]'3]P(  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 saR9_ ux  
uar[D|DcD"  
els71t -  
JO\KTWtjO  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 Io<L! =>  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 {EVHkQ+o  
 q #X[oVq  
应用示例详细内容 0
mI4hy  
WRN}>]NgQ  
仿真&结果 P@Av/r  
M.KXDD#O  
1. 结果：利用光线追迹分析 L$=a,$  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 G/V0Yn""  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 r+}<]?aT>-  
910N1E  
RzqU`<//  
N1X;&qZDd  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd Q@.%^1Mp  
n$3w=9EX*  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 p *GAs C  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 ~}s0~j~  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， vXibg  
9,0}}3J  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 @gihIysf  
xO;Qr.3PX  
?)FY7[x.  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms PF:E{_~  
YtY.,H;  
3. 衍射效率的评估 /P/::$  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 p&3~n: Fo  
j9 &0/ ~/  
,pVq/1  
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。 #oEq)Vq>g|  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd aN~x3G  
/{nZI_v#  
4. 结果：衍射级次的重叠 e[t1V/ah  
 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。 jx8hh}C  
 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)。 3H,>[&d  
 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。 T%1Kh'92  
 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) Fo&ecWhw  
 光栅方程： >2;
KPV0H  
Y~I6ee,\  
t2&}  
30L/-+r1  
 h]?[}&  
5. 结果：光谱分辨率 mbZg2TTy  
R5'_il  
T2i\S9X  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run \h7XdmA]~  
Z%I9:(  
6. 结果：分辨钠的双波段 2Jn?'76`  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 a:[m;  
   j%E9@#  
v{TISgZ  
pqxBu  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 q'<K$4_,%  
+ZeK,Y+Xy  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run nokMS  
}7/Ob)O  
7. 总结 ?=\_U  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 @!s(Zkpev  
1. 仿真 YX19QG%  
以光线追迹对单色仪核校。 Fs1ms)  
2. 研究 }}~ t!/x  
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。 p|R]/C0f  
3. 应用 R,[+9U|4V  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 R86:1  
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。 _JXb|FIp  
扩展阅读 LQ=Fck~[r  
1. 扩展阅读 &?B\(?*  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 8:4`q9  
Qv:J#uVw?O  
 开始视频 y{1|@?ii  
- 光路图介绍 KiG/
XnS  
- 参数运行介绍 %TRH,-@3h  
- 参数优化介绍 ~CL^%\K  
 其他测量系统示例： )ia$pes  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) MA5BTq<&  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ;/<J&#2.