[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\>v#>C  
QbA+\  
应用示例简述 O{u^&V]  
aMI\gCB/  
1.系统说明 ?ra6Lo  
ug47JW  
 光源 Twi:BI`.  
— 平面波(单色)用作参考光源 ZtG5vdf  
— 钠灯(具有钠的双重特性) WPLM*]6  
 组件 $w!;~s  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 :y#KR\T1  
 探测器 f~nAJ+m=  
— 功率 sY,q*}SLD  
— 视觉评估 N]qX^RSb  
 建模/设计 (9R;a np  
— 光线追迹：初始系统概览 qC<!!473?  
— 几何场追迹+(GFT+)： a:nMW'!  
 窄带单色仪系统的仿真 Hp`Mp)1s  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 @ChEkTn  
Rf7*Ut wVr  
2.系统说明 (KQAKEhD!  
TXx%\V_6  
m<]b]FQ  
ra#s!m1  
3.系统参数 eTi r-7  
tu(k"'aJ  
'uAH, .B  
5<1,`Bq@  
1~X~"M  
4.建模/设计结果 dfkmIO%9X  
W '54g$T  
0>PO4WFVJ  
(W.euQy  
总结 E*rnk4Y  
%*4
Gx +b  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 7|=*z  
1. 仿真 '&~A  
以光线追迹对单色仪核校。 p_z_d6?  
2. 研究 9D 2B8t"a  
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。 8GC(?#Kb  
3. 应用 9n][#I)a3  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 4.@gV/U(|  
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。 %) -5'l<  
t%jB[w&,os  
应用示例详细内容 8!e1T,:b  
系统参数 @r.u8e)l  
?R2`RvQ  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 0:<dj:%M  
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。 G4Y]fzC  
P
<@Yux#  
3W*O%9t7  
M[9]
t("  
2. 系统参数 dL9QYIfP  
gwFHp.mE  
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。 h#p1wK;N  
Z$h39hm?c  
F[ca4_lK  
m*VM1kV  
3. 说明：平面波(参考) Oh9jr"Gm=  
U4hsbraz  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 lW F=bz0  
z1oikg:?4  
"WKE%f  
m<ZwbD  
4. 说明：双线钠灯光源 41swG  
ii%n:0+zm  
MYqxkhcLH1  
 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。 wg?:jK  
 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)。 $ohg?B;  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 8.vPh
  
L@rKG~{Xy  
qx! NU}6  
|0Kj0u8T  
5. 说明：抛物反射镜 pH&Q]u;O  
maANxSzi  
2fc8w3  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 c9e 
}P  
 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。 r>lC(x\B  
MmOGt!}9A  
+M9=KVr  
_tE$a3`  
J[<3Je=>$  
uQ9/7"S  
6. 说明：闪耀光栅 hk"^3d!  
B1@c`BJ;9T  
D]+tr%  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 "HR &Rf k  
 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 S\<]|tM:x  
_96hw8  
L4SvE^2+  
p\e*eV1dxx  
:xd&V%u`  
!ViHC}:  
7. Czerny-Turner 测量原理 tq9t(0EL  
zk]6|i$!I  
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。 ZMJ\C|S:  
vO" $Xw  
F0Xv84:O  
~AuvB4xe~  
hIa@JEIt  
8. 光栅衍射效率 9;;1 "^4/  
FK!9to>  
AiiOs?  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 (CYVSO  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 Ov%9S/d  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) ;B`e;B?1Q  
}}~^!  
wP/rR
D6  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd U^ BB|  
~I/7{B|yX  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ;3'}(_n  
P
w /wAUt  
[AR$Sw60  
?AY596  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 V&KH{j/P  
,=>O/!s  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 13A11XTp  
@N.W#<IG  
)
@Xdr0  
ZvNXfC3Ia  
 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)。 
T4Z("  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 ]5td,2E
C  
W5:S+  
应用示例详细内容 1`_Mc ]  
u4o%qK  
仿真&结果 ) !ZA.sx  
ika{>hbH  
1. 结果：利用光线追迹分析 (B]Vw+/  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 )
'%L#  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Re<X~j5]  
*GuCv3|  
vWfC!k-)b  
2~h)'n7Mw  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd iCk34C7  
xKsn);].`  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 9 J5Z'd_  
 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)。 ]2zx}D4f  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， pfAp2"  
u[2R>=  
 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。 7F?^gMi  
+}4vdi"  
jy@}$g{  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 7-e)V{A`w  
6mdJ =b#  
3. 衍射效率的评估 5bmtUIj  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 [4xN:i  
Y<#7E;aL  
IRo[|&c  
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。 `j=CzZ*em?  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 
N.eSf  
LZ&CGV"Z-  
4. 结果：衍射级次的重叠 (a7IxW  
 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。 L?KEe>;r  
 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)。 y L&n)
  
 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。 vn}Vb+@R  
 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) HEe0dqG  
 光栅方程： {!oO>t  
d:sUh  
BzWmV.5  
wZrdr4j  
>>^c_0"O  
5. 结果：光谱分辨率 , is
.{y  

=t)eT0  
e1&c_"TOih  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run :X`J1E]Rjd  
s?%1/&.~  
6. 结果：分辨钠的双波段
l@#X]3
h!  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 SKRD{MRsux  
   fvNGGn!  
} A#C  
{8I
93]  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 G2L7_?/m  
hDp'=}85@  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run +}9%Duim  
yx/:<^"-$  
7. 总结 l^0 <a<P  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 E) z g,7Y  
1. 仿真 =~aJ]T}(  
以光线追迹对单色仪核校。 7CG_UB  
2. 研究 OZt'ovY  
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。 2N)vEUyDV  
3. 应用 R!$j_H  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 NpRC3^  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 3*arW|Xm  
扩展阅读 U}Hmzb  
1. 扩展阅读 #lVVSrF,-  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ,sLV6DM  
]Uxx_1$,  
 开始视频 $k!@e M/R  
- 光路图介绍 U_I'Nz!^t  
- 参数运行介绍 f4w|  
- 参数优化介绍 TD3R/NP  
 其他测量系统示例： EKoCm)}d  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 80+" x3r  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) PiH#9XB