[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) uC G^,BQ  
,*.C''
 
应用示例简述 >*A\/Da]j  
D@H'8C\  
1.系统说明 rS9*_-NH  
6YT*=\KT  
 光源 %V;k/w~[  
— 平面波(单色)用作参考光源 Qwx}e\=  
— 钠灯(具有钠的双重特性) lfR"22t  
 组件 ;B`e;B?1Q  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 }}~^!  
 探测器 wP/rR
D6  
— 功率 U^ BB|  
— 视觉评估 ~I/7{B|yX  
 建模/设计 GMOv$Tn-_L  
— 光线追迹：初始系统概览 V]}/e!XK
\  
— 几何场追迹+(GFT+)： Z.m.Uyz{7  
 窄带单色仪系统的仿真 Jg k@ti.}Z  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 'rf='Y  
BU:s&+LYUv  
2.系统说明 vzaxi;S<  
ik~hL/JD\  
XuHJy  
#.}Su+XF  
3.系统参数 l;Zc[6  
~;m~)D  
0*:]eM};P  
pM[UC{  
4$.UVW\  
4.建模/设计结果 )." zBc#  
..;LU:F  
\@OKB<ra  
a|?CC/Ra  
总结 V6wYJ$]
 
G`|mP:T:o  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 7Yj\*N  
1. 仿真 e5fJN)+a  
以光线追迹对单色仪核校。 S%&l(=0X  
2. 研究 :'GTCo$3  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 uK(+WA  
3. 应用 3{CGYd]_u  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Jc9SHCJ  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 7F?^gMi  
RW
A|%/L  
应用示例详细内容 X+iA"B  
系统参数 7-e)V{A`w  
6mdJ =b#  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 5bmtUIj  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 [4xN:i  
?\\ ]u  
0]>p|m9K^<  
C<w9f  
2. 系统参数 7SAu">lI
l  
#3u8BLy$Q  
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。 w #(XiH*  
E pM 4+  
Y!&dj95y  
AW> P\>{RE  
3. 说明：平面波(参考) |BYD]vK  
%q>gwq A  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 Iobo5B  
`q_7rrkO  
F>*w)6 4~  
5W<BEcV\  
4. 说明：双线钠灯光源 e4CG=K3s  
UQW;!8J#R(  
i-E&Y*\^9H  
 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。 ?wwY8e?S  
 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)。 ?Cu#(  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 sMO3eNLn  
PVEEKKJP]J  
>b*P
d *f  
$a5K  
5. 说明：抛物反射镜 ~q|^z[7  
ol`]6"Sc  
i@B5B2  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 5&94VQ$d  
 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。 yx/:<^"-$  
p3x(:=
 
p3^7Hr  
]Dx?HBM"DC  
IHagRldG  
u%*;gu"2  
6. 说明：闪耀光栅 /[EI0~P  
M6?Qw=  
m?B@VDZ  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 o_G.J4 V  
 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 0W=IuPDU  
Q_uv.\*z_  
89 (k<m  
Vl9\&EL  
$k!@e M/R  
S%%>&^5  
7. Czerny-Turner 测量原理 ;UPw;'  
8:M~m]Z+|  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 H uE*jQ  
{n1o)MZ]R  
i!,>3  
*Li;:b"t  
+Tu:zCv.  
8. 光栅衍射效率 8@$QN4^u^  
$\P!
P.  
rq
a;MPl  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 y5R6/*;N.  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 45-pJf8F  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) ,[Ytl  
;wv
VhQ  
i,bFe&7J  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd Z3#3xG5pl  
E|^a7-}|  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 e94csTh=  
o^AK@\e:^Z  
7z+NR&'M$  
St(7@)gvY  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 *YDx6\><  
vO&1F@  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 TAGqRYgi  
1P[!B[;c  
4`*jF'N[  
f8uVk|a  
 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)。 g\jdR_/  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 '{Ywb@Bc  
S:R%%c
y  
应用示例详细内容 p6ZKyi  
(oTx*GP>Y  
仿真&结果 E&"bgwav{(  
i@g6%V=  
1. 结果：利用光线追迹分析 Kk/qd)nk  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 `#l_`j=r$  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 OY@
/18D<>  
Z~P5SEg  
lual'~  
Zo&U3b{Dy  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd L;v#9^Fq  
5SK.R;mn  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 A).wjd(_,  
 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)。 US Q{o  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， < Gu s9^_  
`|]juc  
 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。 >B3_P4pW9  
sM-k,0z  
:KW   
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms E7 7Au;TL  
[zY9"B<
3  
3. 衍射效率的评估 wtRAq/  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 TT29LC@  
DuCq16'0T  
1o.]"~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。 /)v X|qtIY  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd &}*[-z  
PY) 74sa  
4. 结果：衍射级次的重叠 7@06x+!  
 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。 EpPKo  
 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)。 [dUW3}APV  
 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。 kkh#VGh"  
 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) 1k;X*r#  
 光栅方程： t&-7AjS5  
SVeL c  
_%.atW7  
hGzj}t W8d  
E?%rmdyhL!  
5. 结果：光谱分辨率 edbzg#wy  
a N_M  
V>z8*28S.  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run q?JP\_o:  
*n}{)Ef  
6. 结果：分辨钠的双波段 0~"{z>s '  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 7eZ,; x  
   WG1x:,-  
lKwIlp  
_>*TPlB  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 k`xPf\^tf  
\iO ,y:  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run VYik#n>|Gp  
7)<&,BWc  
7. 总结 qJrK?:O;  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 [&
"`2n  
1. 仿真 lP0'Zg(  
以光线追迹对单色仪核校。 >~2oQ[n  
2. 研究 T&cf6soo  
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。 C+jlIT+  
3. 应用 _@SC R%  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 s}X2*o`,  
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。 +>Y2luR1  
扩展阅读 51l:  
1. 扩展阅读 {0QNqjue  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 =5',obYN>c  
wNq#vn  
 开始视频 FL9Dz4  
- 光路图介绍 p~BEz?e  
- 参数运行介绍 z'j4^Xz?%$  
- 参数优化介绍 GK~uoz:^O  
 其他测量系统示例： (HDR}!.E  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) S
 sGb;  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) /
Rf:Z.L