[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) Uv~r]P)  
^-9g_5  
应用示例简述 I65W^b4y  
=G%k|  
1.系统说明 ndn)}Z!0h  
SM2
QF
 
 光源 =1noT)gCR  
— 平面波(单色)用作参考光源 .mzy?!w0q  
— 钠灯(具有钠的双重特性) "|yuP1;L  
 组件 k[0Gz  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 [;`B  
 探测器 *E0dCY$  
— 功率 6px(]QU  
— 视觉评估 ;N4A9/)  
 建模/设计 60B6~@]P  
— 光线追迹：初始系统概览 :nZVP_d+  
— 几何场追迹+(GFT+)： 59;p|  
 窄带单色仪系统的仿真 S:IhJQ4K  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 !=7(3<?  
0drt,k  
2.系统说明 C:+-T+m[  
' XJ>;",[  
u]K&H&AxT  
U_t[J|  
3.系统参数 x{_:B DY  
{k4)f ad\  
{Jf["Z  
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\wR $_X&  
4.建模/设计结果 ZS*PY,  
X}@^$'W  
WC6yQSnY&  
&M p??{g  
总结 hXBAs*4DV8  
WrB:)Q(8=  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 V\$'3(*  
1. 仿真 $on"@l%U  
以光线追迹对单色仪核校。 ^O#>LbM"x  
2. 研究 3 q1LIM  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 5L6_W-n{  
3. 应用 @ev"{dY  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 r%`g` It  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 (X=JT  
0_F6t-  
应用示例详细内容 a_jw4"Sb  
系统参数 Nm;y
L  
]S@
zhQ  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 _ebo  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 )ry7a .39b  
rC`pTN  
K/xn4N_UX  
0&M~lJ  
2. 系统参数 "Y%fk/
v8  
=E6ND8l@2  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 <v&L90+s\;  
2/XrorV  
I5#KLZVg  
lZ5LHUzP  
3. 说明：平面波(参考) %rE:5)  
_C`&(?}  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ;Gc,-BDFw  
#`Af  
J,iS<lV_  
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4. 说明：双线钠灯光源 /b&ka&|t  
,7HlYPec  
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 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 s#Os?Q?  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。
8jBrD1  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 `O+}$wP  
hn`yc7<}(u  
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5. 说明：抛物反射镜 %#go9H(K  
xG_LEk( zD  
nXU`^<nA  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 W;Y"J_  
 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。 4{PN9i E  
;H' ,PjU  
ys/U.e|)!  
kAV4V;ydh  
qjr:(x/  
1k)31GEQw  
6. 说明：闪耀光栅 SEKR`2Zz,  
7sX#6`t  
et`1#_o  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 wI5(`_l{G  
 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 'hGUsi  
j.]ln}b/'+  
#]rfKHW9  
XWq`MwC9  
R|m!*
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dDg[ry  
7. Czerny-Turner 测量原理 YD9|2S!G  
q!10G  
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。 c9ye[81  
_^Z v[P  
QbJE+m5  
xcQD]"  
(^
HU|   
8. 光栅衍射效率 uv|RpIve:  
Kj7 ?_o{  
d53Eu`QW?  
 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。 o[aP+O Md  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 $6l^::U  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) M!`&Z9N  
SpO%nZ";g8  
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;z$P\+*  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd {EjzJr>  
?vBMx _0  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ,Mr_F^|  
Z!+n/ D-1  
,.HS )<B  
3,"G!0 y.  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 s?J
OGu  
8kf5u#,'  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 }~v
&  
:IX_|8e ^  
dDbH+kqO  
'F%h]4|1  
 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)。 3o2x&v  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 >:bXw#w
]  
;uho.)%N`F  
应用示例详细内容 _<6E>"*m  
>~l^E!<i-u  
仿真&结果 7\AoMk}  
}U^i
Vq*  
1. 结果：利用光线追迹分析 !GJT-[  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 6/.kL;AI  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 vX?C9Fr2  
k?}y@$[)  
'5lwlF  
lMmP]{.>$  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd F]L96&  
~bqw!rz  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 7*kTu0m  
 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)。 E#E&z(G2  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， D/ tCB-+  
C1uV7t*\  
 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。 <M,<|Y*)  
Jz]OWb *  
y5j ;Daq  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms q8)wAl  
;v!Ef"E|cV  
3. 衍射效率的评估 BS2'BS8  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 3T /_#=9TV  
E&ReQgBf
t  
',1[rWyc  
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。 t9.| i H  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd EeQ2\'t  
ZkBWVZb  
4. 结果：衍射级次的重叠 3fUiYI|&7  
 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。 UJuz  
 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)。 ?r}2JHvN  
 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。 :<H4hYt2  
 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) fRwr}n'
 
 光栅方程： RS|*3 $1  
pI1g<pe  
'(zP;  
FP")$ ,=s  
.dn#TtQv  
5. 结果：光谱分辨率 Zul@aS !  
~i]4~bkH2  
>x]ir  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run (_Th4'(@Y  
braI MIQ`  
6. 结果：分辨钠的双波段 bduHYs+rq  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 KuF>2KX~Y  
   [sK'jQo-[1  
Rl (+TE  
TCK#bJ  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 vcZ"4%w  
Rsx?8Y^5  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run ~lbm^S}-  
xiVbVr#[  
7. 总结 %6x3G  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 F5H]$AjW  
1. 仿真 %r@:7/  
以光线追迹对单色仪核校。 4 g8t  
2. 研究 +E+I.}sOB  
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。 U^Iq]L  
3. 应用 `69xR[f  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 {>3w"(f7o  
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。 ItE)h[86  
扩展阅读 }vZTiuzC  
1. 扩展阅读 P!!:p2fo  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 v?o("I[ C  
M8VsU*aU  
 开始视频 g@m__   
- 光路图介绍 ")u)AQ  
- 参数运行介绍 FX+^S?x.  
- 参数优化介绍 UoJMOw[  
 其他测量系统示例： b~?3HY:t~K  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) GXR7Ug}k  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 9LUk[V