[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) GH!Lu\y\  
V]$J&aD  
应用示例简述 y7)$~R):-  
DU>#eR0G  
1.系统说明 1'{A,!  
fmQ`8b  
 光源 <; (pol|  
— 平面波(单色)用作参考光源
+8\1.vY  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 8KU5x#  
 组件 pAd 8-a  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 bx&?EUx+b  
 探测器 XFU['BI  
— 功率 _9Zwg+oO[  
— 视觉评估 pa@@S$(  
 建模/设计 chr^>%Q_  
— 光线追迹：初始系统概览 vw/L|b7G  
— 几何场追迹+(GFT+)： W<AxctId  
 窄带单色仪系统的仿真 xJ18M@"j  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 AvS<b3EoN  
-'iV-]<  
2.系统说明 m$X0O_*A  
lQSKY}h  
k;bdzcMkQ  
{!`0i  
3.系统参数 3RyB 0 n  
R!8qkG  
)Kw Gb&l&  
A=S_5y  
nr t3wqJ
  
4.建模/设计结果  KDODUohC  
*$eMM*4  
O-D${==  
!b0ANIp  
总结 D|`I"N[<  
dO{a!Ca  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 np#RBy  
1. 仿真 ~T_4M  
以光线追迹对单色仪核校。 =I}8-AS~V  
2. 研究 Pq@%MF]5  
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。 ksB-fOv*N  
3. 应用 TzJp3  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 XDWR]  
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。 cy6lsJ"?  
pW>?%ft.  
应用示例详细内容 -t:~d:  
系统参数 LR5X=&k  
-9Ll'fbq  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 #:yh2y7a%  
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。 <oc"!c;T  
|H LU5=Y  
=/J{>S>(i  
nF8|*}w  
2. 系统参数 ;6T>p  
iIe\mV  
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。 VX!UT=;  
cM= ?{W7~  
2th>+M~A  
Z?7XuELKV  
3. 说明：平面波(参考) p%8v+9+h2  
=%O@%v  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 +~6Nq(kV  
3j]P\T  
oY#62&wk4  
Aw38Tw  
4. 说明：双线钠灯光源 yMQZulCWE  
]W-7 U_  
]~!jf  
 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。 nbVlP  
 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)。 ]%RX\~Q.4  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 23F<f+2S  
vUX(h.}8  
/n9yv  
/qYo*S_cG  
5. 说明：抛物反射镜 1Rrl59}5  
/ynvQ1#uA  
5L'bF2SI  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 : " ([i"  
 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。 S-M| 6fv  
7(q EHZEr  
w4S0aR:yL  
lO Rym:P  
MS Ml  
8op,;Z7Y  
6. 说明：闪耀光栅 ~s :Ml  
KNkVI K  
,r&:C48dI  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 VI}.MnCa  
 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 VUo7Evc:.P  
[_jd  
cWd\Ki  
E!~Ok  
*@XJ7G[  
AjTkQ)  
7. Czerny-Turner 测量原理 -R~!N#y  
Auq)  
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。 "|2|Vju%  
hU:M]O0uw  
3Ishe
"  
Tn$/9<Q  
y5td o'Ex  
8. 光栅衍射效率 vS! TnmF  
B{#
*PAK=  
'^TQ Ubw  
 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。 w3,1ImrXp  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 {HJzhIgCf  
 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) 0>  
x>u
\  
~f.fg@v`+v  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 'u
\my
 
<.DFa/G   
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 X&
B2&e;  
X-tc Ud  
dSD7(s!  
7XZ5CX&  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ?r~|B/]  
{^r8uKo:~  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 _K4Igq  
=F(fum;zH  
/M:R|91:_  
EJdl%j  
 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)。 E3pnu.;U:_  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 2:31J4t-<  
NTnjVU }  
应用示例详细内容 >)/,5VSE  
c$cb2V7,  
仿真&结果 N36<EHq  
5h"moh9tG  
1. 结果：利用光线追迹分析 :YL`GSl  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 IoEITKd  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 UStNUNCq  
*rY@(|  
aoLYw 9  
Jj<UtD+  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd [D]9M"L,vQ  
=}:9y6QR.  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 QB<9Be@e  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 ~Rs_ep'+Q2  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， a3&&7n  
mSn>  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 nUAoPE  
.qjVw?E  
{Vc%ga|E  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms '6^20rj  
 2EG`  
3. 衍射效率的评估 >s@*S
9cj:  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 .hYrE5\-  
h$#QRH  
ohK_~  
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。 2v ^bd^]u:  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd zJp}
JO  
W`baD!*  
4. 结果：衍射级次的重叠 jv:!vi:  
 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。 '@Zau\xC  
 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)。 k4|9'V&1*6  
 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。 |5uvmK  
 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) Cu5fp.OS7  
 光栅方程： a[<'%S#3x  
k7rFbrLZ  
^CIO,I  
zEG6T*  
s>=DfE-;"  
5. 结果：光谱分辨率 (1~d/u?2\  
P\;L#2n  
8p4J7 -  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run jo75MSj  
^;";fr Vw  
6. 结果：分辨钠的双波段 .ZuRH_pI  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 9(;5!q,Gsg  
   Vej [wY-c  
"O{_LOJ  
[>5<&[A  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 2V6=F[T  
{H]xA3[]  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run r-M:YB  
*R] Ob9X  
7. 总结 "7v/-   
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 i$~2pr  
1. 仿真 ^Eu]i  
以光线追迹对单色仪核校。 i/ED_<_Vg  
2. 研究 \;al@yC=T  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 !N\<QRb\q  
3. 应用 wul$lJ?tE  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 n#jBqr&!M  
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。 3\x
@G
)1  
扩展阅读 8>T#sO?+  
1. 扩展阅读 ?xftr(  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 I r8,=
 
(0L7Ivg<  
 开始视频 ws"{Y+L  
- 光路图介绍 W62 $ HI  
- 参数运行介绍 \Wdl1 =`  
- 参数优化介绍 !VaKq_W  
 其他测量系统示例： 1&zvf4  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) C,*3a`/2M^  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) qOA+ao