[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) YFu>`w^Y  
_"x%s  
应用示例简述 t{B@k[|  
y=pW+$k  
1.系统说明 P0; y  
G0m$bi=z  
 光源 LK4NNZf7  
— 平面波(单色)用作参考光源 N"<.v6Z  
— 钠灯(具有钠的双重特性) R`$Y]@i&B  
 组件 J|hVD  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 x0)=jp '  
 探测器 _QHk&-Lp  
— 功率 w:nH_x#C4  
— 视觉评估 *.eeiSi{  
 建模/设计 @C^x&Sjm  
— 光线追迹：初始系统概览 UhDf6A`]  
— 几何场追迹+(GFT+)： Py#EjF12  
 窄带单色仪系统的仿真 ,<!*@xy7v  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 OLt0Q.{  
5nBJj  
2.系统说明 t$,G%micj  
U/PNEGuQ  
fe<7D\Sp@  
&ZMQ]'&  
3.系统参数 MCTJ^g"D  
[z\baL|  
}D!tB  
b3_P??yp  
Bx\ o8k  
4.建模/设计结果 9;I%Dv  
Q=%W-  
0\"#Xa+}8  
&c"!Y)%G  
总结 ?7)v:$
(G}  
|J`v w  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。
VJw7defc  
1. 仿真 ?fP3R':s  
以光线追迹对单色仪核校。  wT19m  
2. 研究 'hWA&Xx+  
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。 ,]ySBAO  
3. 应用 8EkzSe  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 d0}(d Gl  
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。 M]k Q{(  
!oXFDC3k  
应用示例详细内容 f?^-JZ  
系统参数 rZ+4kf6S  
*k#"@  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ks phO-  
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。 Z~h6^h   
i"n_oO  
w^zqYGxG
)  
Vb#a ,t  
2. 系统参数 ,<K+.7,)E  
6^J[SQ6P  
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。 V,VL?J\  
bJ 6ivz  
451.VI}MR  
RLL ph  
3. 说明：平面波(参考) ?[bE/Ya+S  
<]%6x[  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 `WCL-OoZc5  
9 4H')(  
/>8A?+g9u  
qHgtd+ I  
4. 说明：双线钠灯光源 <Qv/# k  
MC,Qv9m  
V.$tq  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 ><IWF#kUA  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 :+>7m  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 f4AN"rW  
Q_fgpjEh/t  
RFS}!_t+|  
FsO-xG"@"  
5. 说明：抛物反射镜 T?[;ej:  
mX.mX70|J  
r{d@74  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 *)B \M>  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 xc@$z*w  
am3JzH  
}&7kT7ogO  
2.Ww(`swL  
Z
@x&  
#l&*&R~>  
6. 说明：闪耀光栅 iNl<<0a  
(i(E~^O  
9?hF<}1XH}  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 :,v(lq  
 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 ` W);+s  
!D{z. KO  
gn/]1NN
fR  
6rmx{Bt  
a]P%Y.?r  
!wd wo0  
7. Czerny-Turner 测量原理 p`7d9MV^  
Yz[Rl ^  
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。 &I)tI^P}  
C_ d|2C6  
H'k~;  
l}-k>fug  
L3Y2
HZ  
8. 光栅衍射效率 D?S|]]Y!q  
8/)q$zs  
dn])6Xl;i  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 TBJ?8W(  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 7=X6_AD  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) 5M'cOJ  
@V^.eVM\R  
O"TVxP:  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd =Oh$pZRymu  
P%yL{  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 Z|UVH  
#k>n5cR@0  
q3/4l%"X
 
/o6ido  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ":/Vp
,g  
a(O@E%|u  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 U,yZ.1V^:  
CpX[8>&osD  
U)-aecB!  
<
=%[.. (S  
 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)。 B[8RBTsA  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 G='`*_$  
1z2v[S&pk  
应用示例详细内容 G] tT=X[  
}lPWA/  
仿真&结果 a}VR>!b  

o8E<_rei  
1. 结果：利用光线追迹分析 d@*dbECG  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 AZNo%!)o  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 hr'?#K  
t W   
"3Dnp
?gB  
og+Vr
d  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ?Y\WSI?i  
Jr2>D=  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 6z~ [Ay  
 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)。 Z(4/;v <CT  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， ';v2ld 9  
GpXf)
.a@  
 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。 a>8]+@  
t,XbF  
leizjL\P  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms d9e~><bPJ  
c??m9=OX1  
3. 衍射效率的评估 *)\y52z  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 y}U'8*,  
(1er?4  
Eqny'44  
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。 at*DYZBjDB  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd v/]xdP^Z  
#|:q"l9  
4. 结果：衍射级次的重叠 yl' IL#n]r  
 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。 066\zAPdH  
 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)。 1T~`$
zS7  
 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。 J$jLGy&'  
 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) }\N ~%?6D  
 光栅方程： g;o5m}  
n~w[ajC/  
4T)`%Oo<}  
<Z]j89wzDZ  
$'*{&/
@  
5. 结果：光谱分辨率 ^eRbp?H*T  
z'>b)w
Y](  
yg|yoL'g  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run \Z~@/OVc
  
\!>qtFT  
6. 结果：分辨钠的双波段 3v#F0s|  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 V%M@zd?u.  
   3dtL[aV
wY  
5wvh @Sc\  
\)MzUOZn  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 G}WY0FC6  
KUq(&H7  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run +'[*ikxD=g  
q8e]{sT'!  
7. 总结 [Q8vS;.  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 -"Nvu  
1. 仿真 &)!N5Veb  
以光线追迹对单色仪核校。 6k37RpgH  
2. 研究 eVbT<9k  
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。 RSjcOQ8&.w  
3. 应用 2'ws@U}lR  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 a(`"qS  
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。 &"yoJ<L  
扩展阅读 #xq|/JWs  
1. 扩展阅读 uD4W@*PYr  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。  ? EhIK  
56Lt "Z F  
 开始视频 bSTTr<W  
- 光路图介绍 shY8h   
- 参数运行介绍 mI;\ UOh'  
- 参数优化介绍 S*ie$
}ZX  
 其他测量系统示例： ub4(g~E  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) =$kS
n\L,  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ~Bt>Y