[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) t, U) ~wi  
.VT;H1#  
应用示例简述 8b|OXWl  
7vn%kW=$  
1.系统说明 opsQn\4DZ?  
)
4l>XlQ&  
 光源 %2f//SZ:  
— 平面波(单色)用作参考光源 gtiEhCF2W  
— 钠灯(具有钠的双重特性) .%=V">R  
 组件 %Y~>Jl  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 0n Y6A~  
 探测器 kv6Cp0uFg  
— 功率 +nZUL*Ut/  
— 视觉评估 (Uk>?XAr  
 建模/设计 7A5p["?Z  
— 光线追迹：初始系统概览 &FSmqE;@^  
— 几何场追迹+(GFT+)： .XXW|{  
 窄带单色仪系统的仿真 (n,u|}
8Y  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 {;s;.  
_;56^1'T  
2.系统说明 r-}-C!  
>M]6uf  
{C3U6kKs;R  
H`~;|6}]n  
3.系统参数 $B;_Jo\|  
EIjI!0j  
H&#{l)  
='Q{R*u  
v2Bzx/F:  
4.建模/设计结果 'Gx$Bj  
V A<5uk04K  
pY@Y?Jj  
q2hFOm  
总结 -w1@!Sdd  
mpgOs  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 $&{ti.l  
1. 仿真 :_5/u|{  
以光线追迹对单色仪核校。 }Ov ^GYnn  
2. 研究 rq sdE  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 qFco3  
3. 应用 fH\X  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 5c5oSy+  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 oc7$H>ET1  
K_~h*Yc  
应用示例详细内容 .Da'pOe  
系统参数 \8S~c8Z~  
%<"}y$J  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ZE?f!ifp  
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。 gn8|/ev  
'OkGReKt  
*>NX%by)  
]0c+/ \b&  
2. 系统参数 08s_v=cF  
F(5hmr  
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。 ?YQPlv:<o.  
R\mR
$\cS  
IvHh4DU3Z  
[kV;[c}  
3. 说明：平面波(参考) H#i{?RM@l  
{D`'0Z1"  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 FOwnxYGVf  
yF13Of^l./  
DC+b=IOz  
S0d~.ah30  
4. 说明：双线钠灯光源 d>0+A)6>  
)yG"^Ulu  
,](:<A)W&  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 9Fo fr  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 i;z{zVR  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 `F t]MR  
Pq9|WV#F5/  
dq\FBwfe  
vI1i,x#i  
5. 说明：抛物反射镜 NGC,lv  
y [#pC<^  
Rk6deI]  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ,Lpixnm]  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 *
\}}Bv+9  
|re}6#TgcT  
\1"'E@+  
O.`Jl%  
^3VR-u<O  
r]@0eb   
6. 说明：闪耀光栅 S! Rc|6y%  
;0rGiWC#  
T9W`?A  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 =GlVccc  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 H}hFFI)#Oo  
#:jb*d?  
6W[}$#w  
Sr?#wev]rn  
7?j;7.i s(  
gr-9l0u  
7. Czerny-Turner 测量原理 W%<
LTWOc  
+4;uF]T  
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。 ;Uc0o!1  
v ^[39*8  
YHNR3  
2H71~~ c  
!oPq?lW9  
8. 光栅衍射效率 Hnknly  
q<y#pL=k"*  
zgx&
Pte  
 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。 %^sTU4D5  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 7tUA>;++  
 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) }En  
**9x?s  
L86n}+ P\  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd gE#>RM5D  
,.eWQK~  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 P-F)%T[  
7C#`6:tI  
b@RHc!,>jV  
:w}{$v}#D;  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 \(226^|j  
Vk< LJ S  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 KT]Pw\y5  
D\IjyZ-O  
|,9JNm$  
kEwaT$  
 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)。
_zlqtO  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 J+rC
xn?;g  
F, U*
yj  
应用示例详细内容 l/;X?g5+  
%ZHP2j %~  
仿真&结果 UOQEk22  
;iDPn2?6?x  
1. 结果：利用光线追迹分析 pv|Pm  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 NM ]bgpP  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 93t9^9  
dJ"iEb|4  
I*9e]m"  
U(~+o  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ~y=T5wt  
$w"$r$K9K  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 Ol4+_n8xj  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 G)?9.t_Lj-  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， *#TUGfwy  
\*=7#Vd  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 ge]STSM0n7  
EC
v)v  
f~}H  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ySI~{YVM  
>0Q|nCx  
3. 衍射效率的评估 ^CwR!I.D}4  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 %Uz(Vd
#K  
R|i/lEq  
v4@Z(M  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。
kdGT{2u  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd s-dLZ.9F  
^>"z@$|\:  
4. 结果：衍射级次的重叠 <&)v~-&O  
 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。 &89oO@5  
 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)。 1S@vGq}  
 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。 {Zp\^/  
 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) )BRKZQN  
 光栅方程： ve&zcSeb  
ZvcJK4hi  
uZ;D!2Q a  
^MBm==heL  
y"Nsh>h  
5. 结果：光谱分辨率 u
c|45Zxt  
CbN!1E6).  
EbqcV\Kb  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run g2unV[()_  
c6Y\n%d&  
6. 结果：分辨钠的双波段 8Jz:
^k:  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ^e+
a  
   ? w^-  
%#$EP7"J  
G7D2{J{1  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 "
?| > btr  
41fJ%f` G  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 86z]<
p (  
p ;|jI1  
7. 总结 k__$Q9qj(  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 |ae975  
1. 仿真 <8,cuX\  
以光线追迹对单色仪核校。 OQ9x*TmK  
2. 研究 ^{8Gt@  
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。 !+:ov'F  
3. 应用 Iy }:F8F>g  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Y"KE7>Jf  
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。 Bn!$UUC  
扩展阅读 cHa]xmy%r'  
1. 扩展阅读 p019)X|vx  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 }2ZsHM^]%  
*3D%<kVl  
 开始视频 , lJv  
- 光路图介绍 UUMtyf  
- 参数运行介绍 eAqz3#_My  
- 参数优化介绍 e)?Fi  
 其他测量系统示例： Ux+Q  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ;U_QvN|  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Ja ,Cvt