[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) OX!9T.j  
%A04'dj`zQ  
应用示例简述 Rh
iiQ  
P'[w9'B  
1.系统说明 94Z~]C  
7tJPjp4l  
 光源 F9N)UW:w  
— 平面波(单色)用作参考光源 ]w({5i  
— 钠灯(具有钠的双重特性) OPar"z^EV  
 组件 $w{
#o E  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 V1M oW;&  
 探测器
/_v@YB!
0  
— 功率 El,p}Bi.  
— 视觉评估 sa{X.}i%E  
 建模/设计 ~!\n
 
— 光线追迹：初始系统概览 *G^QS"%  
— 几何场追迹+(GFT+)： to2dkU  
 窄带单色仪系统的仿真 IWX%6*Zz  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 4Y[tx]<  
49cQA$Ad  
2.系统说明 s-
[_%  
Z8Qmj5'[  
Zj%l (OVq  
8sLp! O;f2  
3.系统参数 WOiw 0  
ki48]#p  
46Vx)xX  
6Dwj^e0  
1d,;e:=j  
4.建模/设计结果 \^i/:  
a2/!~X9F  
WbB0{s  
\:, dWLu  
总结 G<U MZg  
A46Xei:Ow  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 jw]~g+x#$  
1. 仿真 ?*){%eE  
以光线追迹对单色仪核校。 =y.?=`"  
2. 研究 hKj"Lb9]  
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。 &N.D!7X  
3. 应用 w-LMV>+6|  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 bd_&=VLTC  
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。 *DcJ).  
XDRw![H,~  
应用示例详细内容 :A9G>qg  
系统参数 hi^@969  
d ]R&mp|'  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 'tm%3` F  
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。 ~ (I'm[  
&;I=*B~kE$  
eD2u!OKW!  
( E;!.=%  
2. 系统参数 (pJ-_w'G  
<?znk8|  
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。 p;$Vw6W=  
kqdF)Wa am  
K=nW|^  
j+YA/54`  
3. 说明：平面波(参考) JL.noV3q$  
I:?1(.kd2-  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 qRC-+k:  
g:V8"'  
b+7!$  
9O1#%  
4. 说明：双线钠灯光源 WCJ$S\#  
LVt{`   
(CDwl,  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 VjsQy
>5m  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 >,;, 6|S  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 /a@gE^TM  
) bRj'*  
#4?Z|_j3  
fR]%:'2k  
5. 说明：抛物反射镜 MOp06  
" b?1Yc-  
JWzN 'a R  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 9OI&De5?=V  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 (^,4{;YQ5  
vK@t=d  
wd86 y  
g<d#zzP"T  
]m&cVy&  
1FC' iGI  
6. 说明：闪耀光栅 TX/Ng+v S  
gN./u   
%z9eVkPI~  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 EkWipF(  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 (4ueO~jb$  
\l$gcFXb  
5ctH=t0  
\r4QS  
HH`G/(a  
h0;PtQb1  
7. Czerny-Turner 测量原理 35>VCjCw0  
>M1m(u84#  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 ^ hoz<Ns  
Dl/Jlsd@  
.@7J8FS*  
YTWlR]Tr6?  
R> r@[$z+  
8. 光栅衍射效率  +=Xgi$  
~D[5AXV`^  
IG}`~% Z  
 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。 _DlkTi5(w  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 4&TTPcSt;  
 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) +aa( YGL  
gA`x-`  
OanHG  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd f[}N  
8 oK;Tzh  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ]gxt+'iAFS  
aDXdr\C6  
2`|1 !x  
=Tdh]0  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 }1N$4@  
67916  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 _!m_s5{  
>=<qAkk  
HkH!B.H]  
X[F<sxw  
 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)。 Uwd^%x*  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 3F/05}d`  
}
digw(  
应用示例详细内容 &PfCY{_  

+W=  
仿真&结果 *TacVp  
zP[_ccW@  
1. 结果：利用光线追迹分析 hX?rIx  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ?k6PH"M  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 BC/oh+FW3  
v7;zce/~  
8A|{jH74  
q;Y9_5S  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 'eKvt5&@  
Mo4#UV  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 HLjXH#ry  
 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)。 ^\Bm5QkS  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， ct,Iu+HJ  
\ow3_^Bk  
 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。 2(s+?n.N  
aFZu5-=x  
'/Y D$*,  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms d@+}_R"c  
2!6+>nvO  
3. 衍射效率的评估 f^ q0#+k)  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 i0,'b61qE  
\t'v-x>2y5  
$Vu%4kq  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 &) '5_#S  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd jGM+  
t>W^^'=E  
4. 结果：衍射级次的重叠 @y{i.G  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 lkj^<%N"r  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 NT qtr="  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 ^qs{Cf$  
 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) M"q]jeaM  
 光栅方程： rZ.,\ X_  
fxW,S  
h)O<
bI8  
@uIY+_E40g  
WK{{U$:$  
5. 结果：光谱分辨率 A5d(L4Q]a(  
^X&`:f  
5if4eitS  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run -EwtO4vLJ  
cfb8kNn~+  
6. 结果：分辨钠的双波段 IW48Sg  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 Je|D]w  
   @<GVY))R8  
~2R3MF.C  
Gi<ik~  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 P'4oI0Bw  
U
V?.KVD~  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run (-lu#hJ`&r  
f8>S<:  
7. 总结 9J"Y   
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 D$sG1*@s-  
1. 仿真 |]qwD,eiH,  
以光线追迹对单色仪核校。 =:fFu,+{  
2. 研究 a59l"b  
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。 nj
z:7]>e  
3. 应用 EYwDv4H,g  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 \\j98(i  
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。 /}~; b#t  
扩展阅读 T<p,KqH  
1. 扩展阅读 {{FA"NW  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 RETq S  
4r@dV%:%<  
 开始视频 W#pA W  
- 光路图介绍  eRlJ  
- 参数运行介绍 }m?1IU%q  
- 参数优化介绍 l:!4^>SC  
 其他测量系统示例： $,vZX u|Qw  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 8[\(*E}d!X  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 0:W*_w0Ge