[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) Rb|\!  
e ST8>r  
应用示例简述 W@JmG`Sy  
(lTM^3 }  
1.系统说明 .KXpB7:  
Jc(tV(z  
 光源 !1w=_  
— 平面波(单色)用作参考光源 [|Jzs[  
— 钠灯(具有钠的双重特性) #3\F<AJ<VB  
 组件 .E
"hsGH9h  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 pDrM8)r
 
 探测器 b P4R  
— 功率 aj|I[65  
— 视觉评估 j#Bea ,  
 建模/设计 _Cj u C`7  
— 光线追迹：初始系统概览 aOA;"jR1  
— 几何场追迹+(GFT+)： j%#n}H  
 窄带单色仪系统的仿真 o!gl :izb  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 WENPS*0oS]  
u-f_,],p  
2.系统说明 Qt+ K,LY  
p4*VE5[?_+  
tTX2>8Gmr  
R<a7TkL4?  
3.系统参数
E,>/6AU  
TmvI+AY/  
(kK6=Mrf  
(6L[eWuTn  
9~SfZ,(  
4.建模/设计结果 GxuFO5wz  
wtu WzHrF  
cX9 !a,  
4S`2")V  
总结 ^} %OqP  
nX7{09  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 j[.R|I|  
1. 仿真 V{HP8f91  
以光线追迹对单色仪核校。 J/:
9;{R  
2. 研究 c0sU1:e0  
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。 Pe6MDWR  
3. 应用 4nN%5c~=  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 4@&8jZ)a  
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。 E=_M=5]  
1 `hj]@.]  
应用示例详细内容 jSsbLa@  
系统参数 CE=&ZHt9  
4onRO!G,  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 vUk <z*  
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。 $-Lk,}s.*  
h# c.HtVE  
dq+VW}[EO  
82n
Q]  
2. 系统参数 )$p<BLU  
UA>UW!I  
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。 6",S$3q  
sOhQu>gN  
{*RyT.J  
:G=N|3  
3. 说明：平面波(参考) -aK_
  
oKLL~X>!U  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 Rf||(KC<  
W3Oj6R  
5V;BimI  
LmE%`qNg  
4. 说明：双线钠灯光源 (RW02%`jjy  
4
E/Q+^?  
D[yOFJ~p)  
 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。 Cbv$O o*  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 vPz$jeA  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 9%55R >s$  
FH:^<^M  
\bNN]=  
M S$^m2  
5. 说明：抛物反射镜 }S
pjB  
z UN&L7D  
P(D0ru  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 CT(VV6I\  
 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。 In<L?U?([D  
\X1?,gV_  
fG_.&!P  
=aR'S\<  
2Hl0besm  
}q7rR:g  
6. 说明：闪耀光栅 d~n|F|`:  
VUAW/  
GvQKFgO6h  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 KKB&)R  
 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 y;aZMT.YI  
mhU ?
N  
*Y'nDv6_P  
"O@L IR7
 
=pSuyM'  
.;nU" a3'  
7. Czerny-Turner 测量原理 pD;'uEFBQ  
GIG\bQSv2  
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。 wtlIyE  
eFJ .)Z  
Vm\ly;v'R  
c%,@O&o  
=qG%h5]n  
8. 光栅衍射效率 8NU<lV`  
lAYyxG#  
|Rk9W  
 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。 g+'=#NS}  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 =LLix . >  
 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) #( G>J4E,  
Lso4ZZ;  
qI (<5Wxl  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd ]rk8Jsg  
sv}k_6XgY  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 W>[0u3  
b/^i  
Jw"fqr  
a@+n  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 :g@H=W  
5ZpU><y  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 SbrKNADH%  
y$-;6zk\]  
V+04X
"  
Zw4z`x1f  
 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)。 DNYJR]>  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 MLVrL r t  
_4+'@u #  
应用示例详细内容 Lmp_8q-Ej  
9:[L WT&  
仿真&结果 B}OM:0  
_o,Mji|  
1. 结果：利用光线追迹分析 O4Z_v%2M  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 LHJ}I5zv  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 qpjG_G5/  
s1"dd7&g'  
SLGo/I*  
>s*ZT%TF  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd b"JJ3$D  
/^Ckk  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 fm u;Pb]r  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 816O
V  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， TAd~#jB9  
Uxll<z,  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 ^"  
a%FM)/oI|T  
r0xmDJ@y  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms LN!e_b  
IXA3G7$)  
3. 衍射效率的评估 eG&3E`[  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 SAQ|1I#"/  
3$TU2-x;g  
3_5]0:?]-  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 KO!.VxG]_  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd C*C;n4AT  
N?Nu'  
4. 结果：衍射级次的重叠 _
/\U  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 p$S\l]
 ,  
 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)。 _{k-&I  
 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。 f$2DV:wuC  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) |``rSEXYs  
 光栅方程： +xL*`fn  
Qo%IZw$l  
iYPlgt/Y!  
Zb? u'Vm=u  
@)^|U"  
5. 结果：光谱分辨率 ORdS|y;:  
LtK= nK  
vAV{HBQ*  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run AJJa<c+j  
^J]_O_ee$  
6. 结果：分辨钠的双波段 WL#E%6p[  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 g]mR
;T3  
   o1k X`Eu  
\OlB(%E7  
J]-z7<j']  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 Md5|
j0#p  
zKllwIfi  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run ~'.SmXZs  
<Na .6P  
7. 总结 ey/=\@[p  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 eE0
'3?q(  
1. 仿真 EvJ<X,Bo  
以光线追迹对单色仪核校。 <_8p6{=  
2. 研究 *K'_"2J  
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。 x o{y9VS  
3. 应用 :T9 P9<  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 %s;=H)8  
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。 t`!@E#VK  
扩展阅读 "?n;dXYSi  
1. 扩展阅读 *ujJpJZ2  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 &`LR{7m  
\b6vu^;p  
 开始视频 tZz *O%  
- 光路图介绍 .Y*jL&!  
- 参数运行介绍 yBYZ?gc  
- 参数优化介绍 ?`+G0
VT  
 其他测量系统示例： %Mxc"% w  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) jiGXFM2  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) xWuvT,^