[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"b'T>Y  
Fx3CY W  
应用示例简述 t1Zcr#b>  
1GaM!OC9  
1.系统说明 Cwh*AKq(  
*%nV<}e^_=  
 光源 f*:DH4g }B  
— 平面波(单色)用作参考光源 ~\{a<-R  
— 钠灯(具有钠的双重特性) pGsk[.  
 组件 `hVi!Q]*P  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 ]RvFn~E!s  
 探测器 Q|6lp  
— 功率 PX} ~  
— 视觉评估 S.I3m-  
 建模/设计 2m*g,J?ql  
— 光线追迹：初始系统概览 #hQ#_7  
— 几何场追迹+(GFT+)： *3Vic  
 窄带单色仪系统的仿真 ^5GyW`a}  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 r=J+  
5Y3L  
2.系统说明 YAc~,N
 
,(@JNtx  
TpSv7kT]  
WXj iKW(  
3.系统参数 #
H5i$ o  
Xa
xM$  
T[L7-5U0  
\ ";^nk*  
_1hiNh$  
4.建模/设计结果 Cd7imj  
eVetG,["  
|c)hyw?[Y  
;k=&ZV  
总结 og~Uv"&?T  
#3_t}<fX  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 y!kU0  
1. 仿真 m+a\NXWR?N  
以光线追迹对单色仪核校。 (Ev=kO  
2. 研究 J6C/`)+w  
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。 &*nq.l76X`  
3. 应用 Dga;GYx  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 <Crbc$!OeX  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 Ifu[L&U  
DmA~Vj!a^y  
应用示例详细内容  
T1\@4x  
系统参数 ~85>.o2RDW  
w~%Rxdh?8W  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 SmUj8?6"  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 2N}UB=J  
u==`]\_@  
49Q tfk  
Oj,v88=  
2. 系统参数 ?heg_~P  
GD-cP5$  
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。 >oGs0mej  
_Oc(K "v  
8-u #<D.  
k E},>+W+  
3. 说明：平面波(参考) =H_vRd  
m5_  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 |\<L7|hb9  
8t5o&8v  
8-&c%h 1  
X? l5}  
4. 说明：双线钠灯光源 g@2f&m  
RA$%3L[A!  
8n"L4jb(:  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 _C
54l  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 nXT/zfS  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 /_[?i"GW  
eq6>C7.$  
E'cI}q  
$V\Dl]a1  
5. 说明：抛物反射镜 >n"4M~I  
9q]n&5  
]J^/`gc  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 \#sdN#e;XA  
 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。 $z[@DB[  
Q.MbzSgXL  
]RxJ^'a63  
ey@{Ng#  
]R*h3U@5#K  
&hcD/*_Z  
6. 说明：闪耀光栅 t\XA JU  
AaLbJYuKd  
ZKTY1JW_  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 [:gp_Z&  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 MS`XhFPS.  
|
r,{#EE  
\gFV6 H?`  
.G-L/*&%  
bk|?>yd  
~5>k_\G8  
7. Czerny-Turner 测量原理 ix
_&os]L_  
A=+1PgL66  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 8bdx$,$k  
KP)t,\@f!  
*|as-!${k  
"BZL*hHq  
<<PXh&wu0  
8. 光栅衍射效率 i<{:J -U|  
)4R[
C={  
:?j]W2+kR  
 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。 9I[k3  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 fXSuJ<G  
 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) .aQ8I1~  
3/ '5#$  
@:}la  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd +xS<^;   
K SJ Ko  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 '?Xf(6o1  
5fy{!  
NQcNY=  
#sE:xIR  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 y9U~4  
`$MO;Fv,G  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 K+|0~/0  
|j4p  
XZ<8M}Lg  
b%].D(qBy  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 \c1>15  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 v0(_4U]/  
>FS}{O2c  
应用示例详细内容 @<yYMo7  
Te`MIR  
仿真&结果 dKY#Tl]  
7NkMr8[}F  
1. 结果：利用光线追迹分析 a4mRu|x  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 kDG?/j90D  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 :<v@xOzxx  
R[l~E![!j  
T^ - -:1  
^iWJqpLe  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd }L @~!=q*  
%{jL+4veoL  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 DiskGq@T  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 _zkTx7H  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， "jf_xZ$H-
 
:o:Z   
 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。 S{Zf}8?6$  
jW{bP_,"  
xwj{4fzpk{  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms |d,bo/:  
</b_Rar  
3. 衍射效率的评估 Rq`5ff3,  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 TAq[g|N-;  
PbfgWGr  
89{`GKWX  
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。 $&Z<4:Flc  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 7d/I"?=|rA  
 pLM?m  
4. 结果：衍射级次的重叠 >vXS6`;  
 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。 .EC~o  
 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)。 q.j
$]?PQ  
 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。 L\R(//V  
 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) j=c< Lo`  
 光栅方程： 7eW6$$ju,N  
mC3:P5/c  
D~M*]&  
f ~bgZ  
h gu\~}kD  
5. 结果：光谱分辨率 RY1-Zj
lb<  
`|PhXr  
>U(E \`9D  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run DcG=u24Xy!  
)P,pW?h$  
6. 结果：分辨钠的双波段 ce*?crOV  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 7`e<H8g  
   t>x!CNb'C  
g`~;"%u7cn  
"1`w>(=  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 yZ]?-7
 
k
h8 M=  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run ~qXwQ@  
PR*EyM[T  
7. 总结 m-#]v}0A  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 orbz`IQc  
1. 仿真 u68ic1  
以光线追迹对单色仪核校。  t^}"8  
2. 研究 *_]fe&s=%  
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。 1~j,A[&|<  
3. 应用 DiZ;FHnaG?  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 rV2>;FG  
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。 g4{0  
扩展阅读 a54S,}|  
1. 扩展阅读 @1U6sQ  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 )6eFYt%c  
R^]a<g,  
 开始视频 [{#n?BT  
- 光路图介绍 Kzy9i/bL  
- 参数运行介绍 )\kNufP  
- 参数优化介绍 rB|4  
 其他测量系统示例： 6q7jI )l  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ;bL?uL  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) .4[M-@4+]