[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) _=K\E0I.m  
_4LDzVjNRe  
应用示例简述 $'w>doUlA  
f9HoQDFsM  
1.系统说明 #.2} t0*]5  
!]MGIh#u  
 光源 "d*-
k R  
— 平面波(单色)用作参考光源 0KN'\KE  
— 钠灯(具有钠的双重特性) c^~R%Bx  
 组件 .X"\ Mg  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 +hIMfhF  
 探测器 `pXPF}T  
— 功率 '/fueku  
— 视觉评估 bLC+73BjC  
 建模/设计 QSvgbjdE  
— 光线追迹：初始系统概览 A/OGF>  
— 几何场追迹+(GFT+)： RWZjD#5%Z  
 窄带单色仪系统的仿真 RaA7 U   
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ~,{nBp9*  
#&Zj6en}M]  
2.系统说明 ei @$_w*TH  
+L pMNnl6  
/<\do 1  
gFxaUrZA  
3.系统参数 Cp]q>lM"  
T*#<p;  
O/ZyWT  
`o%Ua0x2  
fn.}LeeS>  
4.建模/设计结果 t.]e8=dE  
;h4w<OqcM  
4K!@9+Mz  
*KPNWY9!W  
总结 `%.x0~ih  
0*:4@go0}i  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 = $6pL  
1. 仿真 gal.<SVW  
以光线追迹对单色仪核校。 $B@K  
2. 研究 }#E~XlX^  
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。 z
g{  
3. 应用 A"T*uv|  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 #po}Y  
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。 s ]Db<f  
5x}OrfDU  
应用示例详细内容 ^qPS&G  
系统参数 ea!Znld]  
6M@m`c  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 #}zL?s^G  
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。 d<v)ovQJ]  
E"b"VB  
/ Hexv#3  
67dp)X  
2. 系统参数 3
o^oq  
sme!!+Rd  
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。 OEs!H]v  
q}%;O >Z  
4vf,RjB-5  
-_~T;cj6  
3. 说明：平面波(参考) Z sbE  
' Y.s}Duj  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 44_CT?t<  
f*ZIBTb 9  
<@:LONe<  
I)F3sS45}  
4. 说明：双线钠灯光源 ;PhX[y^*  
0:3<33]x  
$,B@yiie  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 ,a?$F1Z-  
 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)。 R(F+Xgje  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 k{j (Gb2sp  
S t0AV.N1  
*dm?,~f%<  
lBnG!!VrWa  
5. 说明：抛物反射镜 I4^}C;p0?  
6GtXM3qtS  
C!aK5rqhv  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 9% AL f 9  
 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。 $@:z4S(  
3ws}E6\D  
jaImO  
C/x<_VJzN/  
hh>mX6A  
kKRZ79"7s  
6. 说明：闪耀光栅 zE\@x+k.  
M/mUY  
0`dMT>&I  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 B?)=d,E  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 GwaU7[6  
F,-S&d  
0 SeDBs  
\;Ywr3  
_P*<T6\J>  
)Vb_0n=^  
7. Czerny-Turner 测量原理 QR;E>eEq  
Ii9@ j1-g  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 #7~M1/eH=t  
;Y>cegG\  
(C EXPf  
^?)o,djY&  
'9MtIcNb  
8. 光栅衍射效率 :D'#CoBA  
E)dV;1t  
h[0,/`qb{  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 F!;0eS"xp  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ~rX2oLw{&  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) dM1)wkbET  
O
8N\  
YdK]%%  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd ,HFoy-Yq  
*M_Gu{xc  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 OyG$ ]C  
.i
B?:  
)TBG-<wt  
D{aN_0mT  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 8U07]=Bt<  
pGy(JvMw"  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 G,8LF/sR  
D+.h*{gD  
!v2D 18(  
uYPdmrPB?l  
 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)。 dw60m,m  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 >~5>)yN_a1  
0vs9# <&V  
应用示例详细内容 xrK%3nA4s"  
tndtwM*B'  
仿真&结果 =yfLqU  
0.
+"K}  
1. 结果：利用光线追迹分析 s wdW70  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 '[fo  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 aD~3C/?aW  
L!7*U.+  
uhFj|r$$  
T3o}%wGW  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd eyZ /%4'q  
#L{QnV.3  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 `":ch9rK  
 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)。 @'DfNka  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， i51
~/ R  
63d' fgVp  
 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。 &Z_W*D  
9&=~_,wJd  
.,pGW8Js  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms  t]Xdzy  
5uK:f\y)l  
3. 衍射效率的评估 e`#c[lbAAM  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 j5ZeYcQ-  
U3 e3  
SLL%XF~/Sb  
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。 H'E>QT  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd CUT D]:\  
a[:0<Ek  
4. 结果：衍射级次的重叠 Bl-nS{9"  
 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。 adh=Kp e!w  
 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)。 d_&R>GmR$  
 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。 A e&t#,)  
 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) E8WOXoP(  
 光栅方程： yVm~5Y&Z  
rS>JzbWa  
4!<8Dd  
]l>)Di#*o  
MJJy mi'b  
5. 结果：光谱分辨率 cs7TAX  
g*b`V{/Vw  
nsqs*$  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run _PrK6M@"L  
&A
mTXW  
6. 结果：分辨钠的双波段 Ql>DS~a  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 sn&y;Vc[$  
   "#2z 'J  
FFl[[(`%D  
b w!
;ZRK  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 sB ]~=vUP  
Crmxsw.W^Y  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run {[Po
LOCI  
Z9s tB>?  
7. 总结 !Ac<A.  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 $ +;`[b   
1. 仿真 7=t4;8|j;  
以光线追迹对单色仪核校。 ]:JoGGE a0  
2. 研究
pq7G[  
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。 ~k?7XF I  
3. 应用 :3$WY<  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 n4+l,~  
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。 jEsP: H(0^  
扩展阅读 F0%FX`b{{  
1. 扩展阅读 S1&mY'c  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。  k'X v*U  
4mJ4)  
 开始视频 &a%
|L=FY  
- 光路图介绍 1HG~}E  
- 参数运行介绍 YYHtd,0\+  
- 参数优化介绍 40N8?kQ}?  
 其他测量系统示例： *VH!<k[n  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) {,tEe'H7  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) D)XF@z;