[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) deV  8  
AicBSqUke  
应用示例简述 c]n1':FT"  
F`XP@Xx  
1.系统说明 $Y/9SV,  
1VG4S){}\9  
 光源 1AM!8VR2  
— 平面波(单色)用作参考光源 !h23cj+V  
— 钠灯(具有钠的双重特性) Gi?/C&1T  
 组件 %\dz m-d(C  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Vk K  
 探测器 (3Two}  
— 功率 q1"$<# t  
— 视觉评估 -
$cmG4  
 建模/设计 ^6MU 0Q2  
— 光线追迹：初始系统概览 !Sh&3uy_qN  
— 几何场追迹+(GFT+)： 4C61GB?Vy  
 窄带单色仪系统的仿真 ~obqG!2m  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 |y!=J$$_H  
?mFv0_!O
 
2.系统说明 [B#R94  
93("oBd[s(  
\IV1j)I"u  
hKLCJ#
T  
3.系统参数 8D3OOab  
j,lT>/  
nYR#  
bLij7K2H  
&_dt>.  
4.建模/设计结果 -D  
-Ta9 pxZk  
LsqA**=  
AN8`7F1  
总结 DS.RURzd{r  
1PVtxL?1P  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 &C,'x4c"  
1. 仿真 ]@j*/IP  
以光线追迹对单色仪核校。 4B =7
:r  
2. 研究 ~:kZgUP_f  
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。 rb5~XnJk  
3. 应用 QdH\LL^8R4  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 vj'wm}/  
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。 8=B|C'>  
n$xc];j  
应用示例详细内容 Neq+16*u  
系统参数 Y!~49<;  
VRWAm>u  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 Z&Pg"a?\  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 jVv0ST*z  
q0i(
i.h  
Vwg
|K|  
"bF
Tk/  
2. 系统参数 T! Y@`Ox  
5{|7$VqPF  
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。 ~
-4{B  
4ni<E*  
PWaw]*dFmy  
f2Klt6"9  
3. 说明：平面波(参考) aktU$Wbwl  
NPhhD&W_  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 rn/ /%  
hm84Aq= f  
XX7{-Yy  
5gH1.7i b  
4. 说明：双线钠灯光源 #a/5SZP Z\  
a]JYDq`,3  
aE`c%T):`  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 Tzt8h\Q^z  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 fM]+SMZy  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 !o5 W  
3EV;LH L  
zvYq@Mhr  
0LPig[  
5. 说明：抛物反射镜 y6ECdVF  
y?[ v=j*U  
.f*4T4eR-  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 yCd-9zb=  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 _(_a*ml  
WKts[Z  
:#LLo}LKp  
' KWyx  
S@j
QX  
RY]#<9>M  
6. 说明：闪耀光栅 EY^1Y3D w0  
 AsQ)q  
\l'm[jy>  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 3B1XZm  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 RJL2J]*S  
W3]_m8,Z  
5m*iE*+  
Pj#<K%Bz  
X@$f$=  
Upc+Ukw  
7. Czerny-Turner 测量原理 |8&,b`Gfo  
X}=n:Ql'YY  
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。 "W=AB&  
(X $=Q6  
W^0w  
R}G4rO-J  
o>).Cj  
8. 光栅衍射效率 $*SW8'],`  
6TQoqH8@U  
[="e ziM{  
 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。 b=g8eMm  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 _g+JA3sIJ  
 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) 33o9Yg|J~  
di?K"Z>  
ge,H-8'Z  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd Z,RzN5eN  
^"VJd[Hn  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ~8~aJ^[  
)LdP5z-  
$&y%=-]|  
7R`M,u~f2^  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 cWEE%  
hLI`If/+K  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 b1^vd@(lx  
VbJiZw(aR  
*}
]Nf  
||T2~Q*:y  
 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)。 sc|_Q/`\.  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 R%Qf7Q  
RS"H8P4W  
应用示例详细内容 0@yXi  
?i)f^O  
仿真&结果 }E+!91't.^  
Fgkajig  
1. 结果：利用光线追迹分析 $$D}I*^Dt  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 U1@IX4^2`  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 y)F;zW<+  
~J5+i9T.)  
D;oe2E{I  
x4g3rmp  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd O?NeSx1  
3!3xCO  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 3 j!3E  
 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)。 RSr %n1  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， _.>QEh5"5  
|>27'#JC  
 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。 3,>0a  
9iXeBC  
Mx6@$tQ%  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms -|kA)M[  
mYxuA0/k  
3. 衍射效率的评估 5j:0Yt  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 I'\kFjc  
kUq=5Y `D  
_6_IP0;  
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。 $i&e[O7T;  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd $@sEn4h  
aY3^C q(r  
4. 结果：衍射级次的重叠 #OBJzf*p  
 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。 y]2qd35u_A  
 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)。 +)kb(  
 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。 E>&n.%  
 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) K2he4<  
 光栅方程： L>MLi3{  
nS/)
P4z  
/nyUG^5#{  
eKgisY4#  
1lq(PGX)  
5. 结果：光谱分辨率 4 d;|sI@  
pM x
 
aF)1Nm[  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run &Q+Ln,(&L  
=2Bg9!zW>  
6. 结果：分辨钠的双波段 F4
It/  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 wyp|qIS;  
   ;ToKJ6hN|*  
+hvO^?4j  

OH;b"]  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 n_
$ :7J  
I3 .x9  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 'I_Qb$  
y(Y!?X I  
7. 总结 z."a.>fPaO  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 /[O(ea$U  
1. 仿真 .^N/peUq  
以光线追迹对单色仪核校。 GMMp|WV|  
2. 研究 thV>j9'  
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。 D<|qaHB=  
3. 应用 }MRd@ 0-?!  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 eK.e|z|  
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。 >"gf3rioW  
扩展阅读 :{qv~&+C  
1. 扩展阅读 j]*j}%hz  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 OC1I&",Ai|  
-M%_\;"de  
 开始视频 HOw-]JSP2  
- 光路图介绍 Nndddk`  
- 参数运行介绍 A6GE,FhsG  
- 参数优化介绍 hZh9uI7.  
 其他测量系统示例： C3< m7h  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) Wi[~fI8^!  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 0|2%vh>J