[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) b:}+l;e52  
X>y6-%@  
应用示例简述 kUG3_ *1 .  
C %o^
AR  
1.系统说明 ;iEFG^'tG  
p
I|H9  
 光源 i.`RQZ$,/  
— 平面波(单色)用作参考光源 ,d3
4v*U  
— 钠灯(具有钠的双重特性) v'zf*]9  
 组件 +p:@,_  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 _~E&?zR2>"  
 探测器 C6C7*ks  
— 功率 O.8{c;  
— 视觉评估 hd}"%
9p  
 建模/设计 M%8:  
— 光线追迹：初始系统概览 7o]p0iLej  
— 几何场追迹+(GFT+)： c}>p"  
 窄带单色仪系统的仿真 Q@lJ|  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 x p#+{}  
Ll L8Q  
2.系统说明 `o~9a N  
-]h3s >
t  
hD:$Sv/H  
SrVJ Q~:>  
3.系统参数 _%HyXd  
CL$mK5u  
U\A*${  
Lc<C1I 5=  
"K8<X  
4.建模/设计结果 Sgt@G=_o  
Px)/`'D  
zV }-_u.  
v5 yOh5  
总结 ZdD]l*.\i  
y^oSVj  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 e>kw>%3bl9  
1. 仿真 \5%T'S@5  
以光线追迹对单色仪核校。 C9q`x2  
2. 研究 (Js'(tBhiU  
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。 /L1qdkG  
3. 应用 ~ 0x9`~  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ;Vad| -  
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。 &OiJJl[9  
'%>$\Lv  
应用示例详细内容 dfo{ B/+  
系统参数 $e! i4pM  
v|XEC[F  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 shlL(&Py  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 8yH) 8:w  
)h~MIpWR  
`bGAc&,&  
ESZ
6<!S  
2. 系统参数 CW Y'
q  
P(W7,GD,k  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 =^P<D&%q  
]OoqU-q  
:CN,I!:  
j+n1k^jC  
3. 说明：平面波(参考) %cD7}o:u  
AR?J[e  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 oUm"
qt_  
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?R0sY ?u  
M[0@3"}}  
4. 说明：双线钠灯光源 B_[^<2_  
H;<hmbN?d  
'hL\xf{  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 6ZVJ2xs[%  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 +gTnq")wnI  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 X+{4,?04+  
GP uAIoBo  
;""V s6  
/r|^Dc Nx  
5. 说明：抛物反射镜 un[Z$moN"  
+E QRNbA  
]OH
zE]Q  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 a Kb2:1EQ  
 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。 @R?S-*o  
S"w$#"EJA  
"7RQrz  
L&lNpMT  
5>7ECe*  
iwL\Ha  
6. 说明：闪耀光栅 jj#K[@u  
L '342(  
r}9qK%C G.  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 0?ZJJdI3  
 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 qU#
Gz7/  
$CO^dFf  
KLs%{'[7:  
{y'c*NS  
cp2e,%o  
CJ&0<Z}{m  
7. Czerny-Turner 测量原理 Q5iuK#/  
2<yE3:VX  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 Rw*l#cr=.  
xF5q=%n  
DPi%[CRH  
M=e]v9  
\A _g  
8. 光栅衍射效率 9>qR6k?  
3t(nV4uDF  
cgm]{[
f  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 .wx;
!9  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 JMw1qPJQ  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) gec<5Ewg  
N9Yc\?_NU_  
A--Hg-N|  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd h{yqNl  
s6w</  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ?I`']|I  
"Sc_E}q|e  
>"B95$x5  
>tqLwC."'  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 "Q#/J)N  
<Jo_f&&{  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 v$w!hYsQ  
"o`N6@[w^  
q.t>:`  
I2qC,Nkk  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 %.BbPR7?h  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 9n$GeRO  
k(><kuJ`3  
应用示例详细内容 7<oLe3fbM  
^~0\d;l_  
仿真&结果  .-'  
uv}[MXOP  
1. 结果：利用光线追迹分析 \D<rT)Tl  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Ja|! fT  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 "CB*  
WsTbqR)W%  
T#Qn\8  
eRD?O  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd vL`w
n=  
A}FEM[2  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 kz(%8qi8&  
 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)。 Ajr]&H4  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， DT8|2"H  
C#`eN{%.YT  
 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。 PtCwr)B,  
V{O,O,*  
> F&Wuf  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms Di<KRg1W]}  
Rgw\qOb  
3. 衍射效率的评估 Xlpu_H|  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 |rka/_  
F"#bCnS  
><viJ$i  
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。 ;WC]Lf<Z^  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd j08}5Eo  
iJk`{P_  
4. 结果：衍射级次的重叠 E5UI  
 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。 B t-o:)pa  
 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)。 RRqHo~*0  
 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。 **d3uc4y  
 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) S "R]i  
 光栅方程： 5*xk8*  
V{p*N*  
4*g`!~)  
SG2s!Ht  
-LJbx<'  
5. 结果：光谱分辨率 Igt:M[ /  
M%7{g"J*  
SEq_37  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run <->Nex  
d_BECx<\  
6. 结果：分辨钠的双波段 |G~LJsXW!v  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 %g{m12  
   5m!FtHvm1  
H-~V:OCB~  
QM=M<~<Voh  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 <f&
z~y=  
QU_O9 BN  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run dkt'~  
)Ge.1B$8h  
7. 总结 Mp^%.m  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 E%t_17,=j  
1. 仿真 &[f.;1+C  
以光线追迹对单色仪核校。 ?D]4*qsIlu  
2. 研究 "ys#%,Z  
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。 XZYpU\K  
3. 应用 s]Nh9h  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 $73 7oV<  
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。 vyP3]+n
 
扩展阅读 9E4H`[EQ  
1. 扩展阅读 SCs@Q  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 w$WN` =  
n#[-1(P  
 开始视频 Xp@8vu  
- 光路图介绍 eVyXh>b*  
- 参数运行介绍 CpNnywDRwU  
- 参数优化介绍 /L\
]t  
 其他测量系统示例： y.AVH`_u  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) !'o5X]s  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Kq e,p{=