[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) qyv9]Q1  

Y$!K<c k  
应用示例简述 `GS!$9j  
:L&Bbw(  
1.系统说明 M4pEwD  
+:?-Xd:p  
 光源 Y8`4K*58%  
— 平面波(单色)用作参考光源 LYNd^}  
— 钠灯(具有钠的双重特性) )6iY9[@tN  
 组件 #9}E@GGs  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 \-N 4G1  
 探测器 )YRVy  
— 功率 ] o tjoM  
— 视觉评估 Bvzl* &?  
 建模/设计 KOGbC`TN<  
— 光线追迹：初始系统概览 {NXc<0a(  
— 几何场追迹+(GFT+)： "DM$FRI0  
 窄带单色仪系统的仿真  y$7Fq'  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 LGKkT?fcSC  
X|t?{.p  
2.系统说明 "0 \U>h  
/4+M0Pl  
ct=|y(_  
~"!F&  
3.系统参数 lBh|+KN  
bwUsE U 0  
7$WO@yOsh  
\ }>1$kH;  
_H>ABo  
4.建模/设计结果 o!^':mll  
?dlQE,hB$  
N,V%/O{Y  
L)&?$V  
总结 =\`g<0  
He^+>XIam  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ]7
8
I  
1. 仿真 G*2bYsnhX  
以光线追迹对单色仪核校。 E8J`7sa  
2. 研究 )Yz` 6  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 l;}D| 6+_W  
3. 应用 n c:^)G  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 xekW-=#a7-  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 ;!DUNzl  
iq-n(Rfw~  
应用示例详细内容 q0{KYWOvk  
系统参数 a{^[<  
T5.1qrL  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 _%w-y(Sqn  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 KL,=Z&.<=  
>|WNsjkU%  
>t7xa]G  
5_ -YF~  
2. 系统参数 7'Y 3T[  
n(l!T 7  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 CdlE"Ye  
o$oW-U  
SdBv?`u|g  
cOcF 
VPQ  
3. 说明：平面波(参考) ;0O3b  
dX{|-;6vm  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 &Z/aM?  
|8PUmax
 

L0ig%  
%&5 !vK  
4. 说明：双线钠灯光源 \k/ N/&;  
lrB@n?hk  
vt<r_&+ pJ  
 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。 Re-~C[zwT  
 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)。 *Uie{^p?  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 I!&|L0Qq  
,@jRe&6  
wV-1B\m  
>(S4h}^
I  
5. 说明：抛物反射镜 no`c[XY  
V|KYkEl r1  
f9u^/QVS&  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 <uDEDb1|l  
 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。 h 1G`z  
ewg&DBbN"  
r/'9@oM  
)$Xd#bzD|  
9%WUh-|'p  
@y3w_;P  
6. 说明：闪耀光栅 /2pf*\u  
|F[E h ~  
MO&QR-OY  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 -FV$Sne  
 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 YMOy
6C  
-jnx0{/  
azR<Y_tw  
P1)f-:;  
l_GvdD  
RB.&,1  
7. Czerny-Turner 测量原理 l|z 'Lwwm5  
x4fl=  
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。 8 P85qa@w  
y E-H-r~I  
#D M%_HXDi  
%7%7 W*0d
 
x=Z\c,@O  
8. 光栅衍射效率 H_KE^1  
;SoKX?up5  
ln%xp
)t  
 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。 4of3#M  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 |6w.m<p  
 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) :W(3<D7\  
vKN"o* q  
O9*cV3}H  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd +6t<FH  
qawb9Iud0  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 D,%R[F?5O  
"@U9'rKx  
H~E(~fl  
{WUW.(^]G  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 .4Ob?ZS(  
S'M=
P_-7  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ks|[`FH  
jV Yt=j*"V  
WqP>cl2Lm  
maQE Bi,  
 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)。 CY;ML6c@  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 rB|Mp!g%@  
^{&Vv(~!Q  
应用示例详细内容 v(D{_  
Qb}7lm{r  
仿真&结果 le*mr0a
 
W$LaXytmak  
1. 结果：利用光线追迹分析 Cc*"cQe  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 s\QhCS  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 P\\4 w)C  
It'hmwu#  
c#sPM!!  
'U ',9  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd nM:e<`r  
YSwAu,$jf  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 A5-y+  
 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)。 02E-|p;  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， jv7-i'I@  
>B(%$jG Z  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 ppr95Y]^  
Gxu  
Aw
l4*J~  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms UMR0S5`}  
H&jK|]UXoO  
3. 衍射效率的评估 .,zrr&Po  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 +7n;Bsk _  
{a`t1oX(  
#(&!^X3  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 NIufL }6\  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd kbzzage6L  
DQO~<E6c  
4. 结果：衍射级次的重叠 Dyv 6K_,  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 ?dMyhU}  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 @igGfYy  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 N*z_rZE  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) Jydz2 zt!  
 光栅方程： xc)A`(g  
[uCW8:e  
K];`  
I>ks H  
;;rEv5 /  
5. 结果：光谱分辨率 HqNM31)  
>qh8em  
MmH[ 7R  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run m<L.H33'  
4mR{\ d  
6. 结果：分辨钠的双波段 ,E,oz{,i(  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 WE\@ArY>  
   lc1?V
d$  
'>dsROB->  
S*;8z}5<\  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 1{@f:~v?  
z5G<h  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run R2{y1b$l  
q\wT[W31@  
7. 总结 4AdZN5  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 "@: b'm  
1. 仿真 ,{wA%Oy,  
以光线追迹对单色仪核校。 MT
{7I"  
2. 研究 d]Y-^&]{]  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 j2O?]M  
3. 应用 {2wfv2hQ  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ^Wb|Pl  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 dx['7l;I  
扩展阅读 #
B7_5y^  
1. 扩展阅读 sevaNs  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ~=HrD?-99p  
M$&aNt;  
 开始视频 H^y%Bi&^  
- 光路图介绍 3[8F:I0UL  
- 参数运行介绍 s}Y_og_c  
- 参数优化介绍 Hc.r/  
 其他测量系统示例： 2<&lrsh  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) y9W6e"  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 
]pUf[^4