[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) -]N x,{  
mDA:nx%5<  
应用示例简述 X[-xowE-  
@
wGPqg  
1.系统说明
LiC*@W  
2.`\  
 光源 \#2Z)Kz  
— 平面波(单色)用作参考光源 m4[;(1  
— 钠灯(具有钠的双重特性) OZb-:!m*  
 组件 @N>\|!1CC  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 uanhr)Ys  
 探测器 !hA-_  
— 功率 & TCkpS  
— 视觉评估 1jmjg~W  
 建模/设计 -V*R\,>  
— 光线追迹：初始系统概览 m<<+  
— 几何场追迹+(GFT+)： A]_7}<<N  
 窄带单色仪系统的仿真 mxvp3t\  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 8 `v-<J  
h/QXPdV  
2.系统说明 $g^@AdE%  
6iry6wcHm  
w1FcB$  
=Pyj%4Rs  
3.系统参数 {UX!go^J  
$!-yr7  
lne|5{h  
[7:,?$tC  
*l(7D(#  
4.建模/设计结果 \,'m</o~,  
=ke2;}X  
R)?*N@.s  
D5gFXEeh  
总结 G~]Uk*M q  
B5,N7z34F  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Zcey|m*|  
1. 仿真 cRC6 s8  
以光线追迹对单色仪核校。 ~V:\ _{mE  
2. 研究 (fhb0i-  
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。 DcS+_>a\{l  
3. 应用 :^<3>zk  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 A\*>TN>s  
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。 W Tcw4  
SjK  
应用示例详细内容 h<h%*av|  
系统参数 %6t
:(z  
DVO.FTV^`  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 i:dR\|B  
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。 7kC^ 30@T3  
!@5 9)  
%J}xg^+f  
5frX  
2. 系统参数 ~kV/!=  
~EW(Gs!=C  
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。 5G}?fSQ>  
0RzEY!9g+  
W PC]%:L"  
HGl|-nW>  
3. 说明：平面波(参考) S0$8@"~=  
"6A `
 q\  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 |o7[|3:M  
[=C6U_vU  
eB2a
-,  
(xycJ`N  
4. 说明：双线钠灯光源 //B&k`u  
6]i-E>p3R  
k``_EiV4t  
 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。 REQ\>UO_  
 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)。 >[)7U _|p  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 L]7=?vN=8  
@?ebuj5{e  
[\]50=&  
K&u_R  
5. 说明：抛物反射镜 p;a,#IJu  
;J'LS  
b\f O8{k  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 gE-tjoJ  
 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。 VCYwzB  
4>YR{  
KA5v+~  
"> ypIR<  
*YI98  
VD AaYDi  
6. 说明：闪耀光栅 TT%M'5&  
e v}S+!|U  
'B$
yo]  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 _1X!EH"  
 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 m<G,[Yc  
?Rb9|`6  
P.se'z)E  
N>uRf0E>  
e}voV0y\v:  
h#I>M`|  
7. Czerny-Turner 测量原理
s3N'0
2G  
8qoMo7-f  
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。 Mc lkEfn  
!"e5h`/ADM  
d2FswF$C  
{L971W_L  
:]K4KFM  
8. 光栅衍射效率 >-?f0K  
1y&\5kB  
D_2:k'4  
 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。 :9afg  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 rw[ph[\X  
 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 ~<^L\Lu  
[&[k^C5  
Yu/ID!`Z  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd [|wZ77\  
ho{*Cjv  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 YpHg
&|Fr  
wVXS%4|v  
&A/]pi-\  
8LJ8 }%*  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 *tFHM &a  
?
5__oT  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 @&!ZZ 1V8  
Eh`7X=Z7E  
2>9C-VL2  
~hH REI&  
 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)。 KM0ru  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 j3oV+zZ49  
qx(xvU9  
应用示例详细内容 ~Gp[_ %K  
B4/
>H|  
仿真&结果 @n/\L<]t  
;a!S!%.h  
1. 结果：利用光线追迹分析 >{]%F*p4  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 h^45,E C  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 A|[?#S((]  
1nM  #kJ"  
Z#jZRNU%ox  
)* :gqN  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd mUC)gA/  
z kP_6T09  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 eIF5ZPSZi  
 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)。 f)rq%N &  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， Ib!RD/  
B IEO,W|  
 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。 4B;=kL_f  
&E F!OBR  
R{4^t97wH{  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ,,.QfUj/&  
;+
_:,_  
3. 衍射效率的评估 5~U/  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 Kn{4;Xk\  
SR hiQ  
h&iC;yj=  
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。 Ny7S  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd /HE
w-M9z  
c):/!Q  
4. 结果：衍射级次的重叠 0o4XUW   
 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。 Paq4  
 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)。 $Wol?)
z  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 qq`4<0I>  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级)
//MUeTxR  
 光栅方程： qwcD`HV,  
]cvwIc">  
]q[D>6_  
=*.~BG  
b_krk\e@S  
5. 结果：光谱分辨率 @bLy,Xr&  
}#+^{P3;  
e"cXun4nS=  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 59L\|OR  
rXq.DvQ  
6. 结果：分辨钠的双波段 J{<X7uB  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 Vt~{
Gu-Y  
   qkqIV^*R  
RC"MdcD:]y  
e{H=dIa+  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 =I5>$}q_&,  
~=LE0.3[  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run I][*j  
l&zilVVm  
7. 总结 e>OoyDZ@R  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。  }v{LRRi  
1. 仿真 Qel9G($=  
以光线追迹对单色仪核校。 h"W,WxL8  
2. 研究 G!##X: 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。 @1j   
3. 应用 %2{ye  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 =XQ%t @z0  
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。 Rp7mh]kZ  
扩展阅读 C): 1?@  
1. 扩展阅读 ]/6z; ~3U  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 G*MUO#_iuh  
o/)h"i0P  
 开始视频 G_JA-@i%  
- 光路图介绍 Y@iS_lR  
- 参数运行介绍 XT*sGM  
- 参数优化介绍 'Is kWgc  
 其他测量系统示例： M_f:A  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) S hWJ72c  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ^\% (,KNo