[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!#7  
FQBE1h@k0u  
应用示例简述 [2{2w68D!  
TXT!Ae  
1.系统说明 I= 2jQ>$Q  
.;F%k,!v  
 光源 ZZM;%i-B  
— 平面波(单色)用作参考光源 m*|G2  
— 钠灯(具有钠的双重特性) !&},h=  
 组件 b$q~(Z}  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 &'k:?@J[  
 探测器 <&kl:|  
— 功率 [}I|tb>Pg  
— 视觉评估 n"w>Y)C(X)  
 建模/设计 "m>BE  
— 光线追迹：初始系统概览 (QTQxZ
 
— 几何场追迹+(GFT+)： l6- n{
zG  
 窄带单色仪系统的仿真 {ub'   
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 .On3ZN  
3aw-fuuIb  
2.系统说明 Q[c:A@oW  
+w?-#M#  
rn]F97v@]  
.oM;D~(=9  
3.系统参数 e(I;[G +%,  
iUbcvF3aP  
VIaj])m  
Z.`0  
;OC{B}.vH  
4.建模/设计结果 E~c>j<'-"<  
P~84#5R1  
:w]NN\  
=om<*\vsO  
总结 9a#Y D;-p  
@=OX7zq\h-  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 :Wihb#TO)  
1. 仿真 1,Jy+1G0w  
以光线追迹对单色仪核校。 cv;2zq=T  
2. 研究 _hgGF9  
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,\5jj'Y  
3. 应用 7)RR
Csn  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 O>>/2V9  
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。 {Y3:Y+2X3*  
Y4+iNdd  
应用示例详细内容 cSjX/%*!m  
系统参数 Gzp*Vr  
h1y3gl[;TD  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 Z5g*'  
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。 3e>U(ES  
`a[ V_4wO  
H vHy{S4  
~Rx`:kQ  
2. 系统参数 J3XG?' }  
{N << JX  
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。 ixL[(*V  
J\FLIw4  
nbW.x7  
nchpD@'t  
3. 说明：平面波(参考) 0EasPbp  
['Qh#^p  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 +Ht(_+To1  
']d(m?  
{P3gMv;  
;X:Bh8tEV  
4. 说明：双线钠灯光源 Vh^ :.y  
W.59Al'  
G5lBCm   
 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。 y4VO\N!  
 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)。 0>"y)T3   
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 aU/y>Y <k  
W)^%/lAh  
efuiFN;  
|[p]])
o  
5. 说明：抛物反射镜 {{)pb>E  
2km0  
gB>AYL%o=  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 R
B6TM  
 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。 3NdO3-~)  
E&Zt<pRf;2  
qiq=v)  
i ~)V>x  
Bat@  
a'?LC)^  
6. 说明：闪耀光栅 `)kxFD_bH  
ItVVI"-  
+HjSU2  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 EWq < B)  
 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 xTqP`ljX  
brK7|&R<  
ztAC3,r]  
VCT1GsnE  
OB++5Wd  
}2^qM^,0  
7. Czerny-Turner 测量原理 @LY[kt6o  
2IP<6l8N  
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。 ,zdK%V}  
n]nJ$u1u  
Nr}O6IJ>Sg  
79D;0  
\?|^w.  
8. 光栅衍射效率 } Fli  
tOZ-]>U  
B,` `2\B  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 o=PW)37>  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 'j?
H>'t{  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) uZ+"-Ig  
aCi)icn$  
sQ&<cBs2  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd y5?kv-"c  
fo<nk|i  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 |oQhtk8.  
uz:r'+v  
=>&~p\Aw  
KM[&WT  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 di]CYLf  
,#9i=gp  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 dnM.  
l*Fp}d.  
L+mHeS l  
? :A%$T  
 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)。 zQ+ %^DT1  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 _bv9/#tR  
%`s1 Ocvp  
应用示例详细内容 |o^mg9  
3ly]DTbz  
仿真&结果 \5a;_N[Ed  
8|u8J0^  
1. 结果：利用光线追迹分析 @wVDe\% ,  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 U} 
Pr1  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 [<}W S} .  
Gs4t6+Al  
feM(  
Yf1%7+V35  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 9)n3f^,Oj*  
'$4&q629d  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 B->oTC`
5  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 ,,g: x  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， cnDF`7xrT  
DD6K[\  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 B"`86qc  
\_)mWK,h  
q AsTiT6r  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms
n<eK\w  
T:!H^  
3. 衍射效率的评估 er@.<Dc  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 <d[GGkY]=  
K]^Jl0  
II\}84U2 .  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 :>jzL8  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd [t*-s1cq  
G*-7}7OAs  
4. 结果：衍射级次的重叠 
fAR6  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 `2j"Z.=  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 &$h#9  
 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。 7p{2&YhB  
 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) ,0?3k
  
 光栅方程： \.F|c  
g}BS:#$  
{axRq'=  
hy3?.  
@[5]?8\o  
5. 结果：光谱分辨率 ?9~|K/`l  
ir_X65l/2  
Xa$
tW%)  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run &}0#(Fa`  
D6'-c#  
6. 结果：分辨钠的双波段 +('=RyoT  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 g&/r =U  
   )-i(%;,*e  
"&\]1A}Z-x  
o<g1;  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 Slp_o\s$@  
C`aUitL}  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run "Fxw"I <  
7V"Jfh4_  
7. 总结 B^j(Fq  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 hgdr\ F  
1. 仿真 3IoN.  
以光线追迹对单色仪核校。 h
3p~\%^  
2. 研究 !6J+#  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 uTmT'u:}  
3. 应用 h~#.s*0.F  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 :|=Xh"l"  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 *{=q:E$  
扩展阅读 ]w!=1(  
1. 扩展阅读 k[1w] l8  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 T6=~vOzTJ  
sb%l N  
 开始视频 [t]q#+Zs  
- 光路图介绍 >NA{**$0  
- 参数运行介绍 gv,%5r0YOw  
- 参数优化介绍 D ~NWP%H  
 其他测量系统示例： ro^T L  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) VS+5{w:t  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) okBaQH2lUl