[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/Q\ .!  
q=|0lZ$`V_  
应用示例简述 d;c<" +  
8OW504AD  
1.系统说明 |Sf` Cs  
A[
.5Bi  
 光源 va_TC!{;  
— 平面波(单色)用作参考光源 ok+-#~VTn  
— 钠灯(具有钠的双重特性) eODprFkt}
 
 组件 B%e#u.'6  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 `+go| 5N2  
 探测器 eS{ xma  
— 功率 ;n-IpR#|  
— 视觉评估 av*M#  
 建模/设计 }{(|^s=  
— 光线追迹：初始系统概览 mK2M1r  
— 几何场追迹+(GFT+)： r31H Zx1^  
 窄带单色仪系统的仿真 te b~KM  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 6qgII~F'  
Gr a(DGX  
2.系统说明 M+N7JpR  
.$,.w__m~  
U2(|/M+  
jt/ |u=  
3.系统参数 389puDjy  
43?J~}<Vs  
fP9k(mQX  
VC6S4FU4K  
oQvG3(.  
4.建模/设计结果 qt#a_F*rV  
&2!F:L  
cP~?Iz8nD  
%Jr6pmc  
总结 ]GS@ub  
$K,6!FyBa  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 FrNW@  
1. 仿真 [@qUQ,Ie  
以光线追迹对单色仪核校。 ]v^;]0vcr  
2. 研究 W,^(FR.  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 Va1 eG]jQ  
3. 应用 |Gw[vY  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Czs4jHTa`  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 lj1wTiaI(  
PG1#Z?_  
应用示例详细内容 <p'~$vK  
系统参数 oR=^NEJv  
?6bk&"T?  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 @lau?@$ja  
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。 QPH2TXw  
<h/\)bPB  
RPvOup  
KJwkkCE/=  
2. 系统参数 $rySz7NI  
vYD>m~Qc^  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 COw]1R  
o%Lk6QA$  
 pPm9v_G  
d8b'Gjwtw  
3. 说明：平面波(参考) ({cgak  
3mIX9&/  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 TA}z3!-y*  
N.q4Ar[x#p  
<%JRZYZ  
Qr;es,f  
4. 说明：双线钠灯光源 >NN|vj  
F6T@YSP  
lHpo/R:  
 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。 HRx%m1H  
 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)。 N,w;s-*  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 -;z&">  
XHO}(!l\  
/FiFtAbb  
hGH{Xp[mW  
5. 说明：抛物反射镜 <ZJ>jZV0*  
>qn@E?Uf  
HnVUG4yZTD  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 {sy#&m(el  
 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{x}gBQ  
j>M 'nQ,;d  
2I:vie  
0+O)~>v  
"w`f>]YLA  
sHe:h XG'  
6. 说明：闪耀光栅 }0uSm%,"  
?T5^hQT   
cW),Y|8  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 CScM;U=  
 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 5.xvOi|.  
C%v@u$N  
SGH"m/ e  
%|Vo Zx ^  
0i$jtCCL(  
/'G'GQrr  
7. Czerny-Turner 测量原理 3l>P>[<o  
+U^dllL7  
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。 ']f]:X;6w  
uavts9v<  
w"-bO ~5h  
ZzI^*Nyg  
7 .+kcqX  
8. 光栅衍射效率 P-No;/!B#  
`R8~H7{I6  
(H+'sf^h  
 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。 &}w,bG$  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 V:!fe+Er  
 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) ,^|+n()O  
Yq/|zTe{  
uGLVY%N  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 5cyl:1Ln  
.Rc&EO  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 nA
d 4g|  
rN{&$+"2  
7 m&M(ct  
KEYM@,'  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 *kL1r w6  
b]RnCu"  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 6!g3Juh  
ET_}x7  
?Dm!;Z+7  
KfWVz*DC!  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 ,i*^fpF`F"  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Z#>k:v  
\s<iM2]Kl  
应用示例详细内容 X/i8$yqv  
o|alL-  
仿真&结果 ?b8NEVjw  
X^9_'T9  
1. 结果：利用光线追迹分析 .1|'9@]lj4  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 w^`n  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 66)@4 3V  
s/sH",  
Q6%m}R  
W .Hv2r3  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd g:;v]   
kHz3_B9[  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 2E2J=Do  
 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)。 tk}qvW.Ii  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 51;(vf  
5/P?@`/eT  
 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。 ~Zaxn~u:  
f^%vIB ~[  
"5dh]-m n  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms r*+9<8-ZX<  
!k<+-Lf:2  
3. 衍射效率的评估 kmov(V  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 [.<vISRir  
x:l`e:`y9  
c}v:X Slh7  
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"!C  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd b>2u>4  
%WCpn<)  
4. 结果：衍射级次的重叠 rKJ%/7m  
 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。 =$BgIt  
 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)。 _/E>38G]  
 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。 },i?3dSvl  
 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) ZQ20IY|,  
 光栅方程： L9r 3jz  
$yCj80m\  
z9dVT'  
HHEFX9u  
&|{K*pNa  
5. 结果：光谱分辨率 &# @1n  
Xd|5{  
PCaa_ 2  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run Brpin  
l0Pg`wH,  
6. 结果：分辨钠的双波段 P"iqP|  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 *Z/B\nb  
   ,Y!T!o}1  
W8":lpp  
*$l8H[  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 x!YfZ*  
;[9cj&7C<  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run `kj7I{'l%9  
=e._b 7P  
7. 总结 #d|.BxH  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ~^5uOeTZ~  
1. 仿真 s#qq% @  
以光线追迹对单色仪核校。 K}Z'!+<U  
2. 研究 /+IR^WG#C}  
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。 wk5a &  
3. 应用 f%@Y XGf  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 y|lP.N/  
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。 %5z88-\  
扩展阅读 np>*O}r*  
1. 扩展阅读 | c8u  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 E RMh% C  
MPGQ4vi&  
 开始视频 r%B5@+{so  
- 光路图介绍 )
?TJ{'m  
- 参数运行介绍 S3oU7*OZ  
- 参数优化介绍 c|O5Vp}  
 其他测量系统示例： [yVU p+  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) F%Mlid;1  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) T%]: tDa