[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^ tf4  
SyR[G*djl  
应用示例简述 u|E9X[%  
g ??@~\Ov  
1.系统说明 cBnB(t%  
n!\&X9%[8  
 光源 9=
;ETLL "  
— 平面波(单色)用作参考光源 1)=sbFtS  
— 钠灯(具有钠的双重特性) imf_@_  
 组件 ;+]GyDgVq  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 9Vv&\m!0  
 探测器 p\7(IhW@  
— 功率 9#niMv9  
— 视觉评估 Y<-dd"\  
 建模/设计 w.H\j9E l  
— 光线追迹：初始系统概览 K)t+lJ  
— 几何场追迹+(GFT+)： B(dq$+4  
 窄带单色仪系统的仿真 HzF]hm,  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 }c*6|B@f  
1PJ8O|Zt8  
2.系统说明 KcX] g*wy  
N{6Lvq[8  
 zWIC4:  
W%RjjLJ@  
3.系统参数 slMWk;fmD}  
``mW\=fe  
|^E#cI  
A?*_14&  
i<nUp1r(  
4.建模/设计结果 3?GEXO&,E  
h $}&N  

C/Dc1sj  
K"r'w8P  
总结 n/5)}( }K
 
B?r[|  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Awad!_VdHS  
1. 仿真 ef=LPCi?  
以光线追迹对单色仪核校。 P:yMj&)  
2. 研究 <<P& MObqj  
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。 Yxt`Uvc(^h  
3. 应用 <t0o{}^P*  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 \f_YJit  
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[R\URu8  
;yO7!
{_  
应用示例详细内容 ~h{
v^}  
系统参数 w%[`'_[  
=@>[  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 qE`  
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。 L.z`>1  
0g@ 8x_3  
@iwg`j6ol  
Q
X'/PO  
2. 系统参数 Q1Sf
7)  
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~  
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。  CKv[E  
eJrJ5mlI`  
m4~Co*]w  
#eT{?_wM  
3. 说明：平面波(参考) `UpZk?k  
bqxbOQd  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 0 ej!!WP  
{
Ah\-{]  
gekW&tRie  
X#mppMU  
4. 说明：双线钠灯光源  zF2GW  
A({8p  
F.b;O :  
 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。 1B;sSp.>  
 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)。 zUqt^_  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 EF?@f{YY$n  
40}8EP k)  
shwKB 5  
H
Kk;oG  
5. 说明：抛物反射镜 E+AEV`-  
zhI} p.  
hgCeU+H  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 MmBM\Dnv  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 ~B%=g)
w  
aU3 m{pE  
\5$N> 2kO  
6<+R55  
:cmfy6h]  
qHfs*MBJ%  
6. 说明：闪耀光栅 -<jb>8  
xr)Rx{)3h  
_'k?9eN`  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 z
./M^7v?  
 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 [EDw0e  
kn_%'7  
`J^J_s  
cjf}yn  
#e0tT+  
W;coi4   
7. Czerny-Turner 测量原理 N0GID-W!/~  
R ;^[4<&  
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。 A\Q]o#U  
`wI<LTzXS  
@4m_\]Wy  
B&_62`  
&%`IPhbT  
8. 光栅衍射效率 9)Y]05us  
!JjB,1  
0s:MEX6w|  
 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。 ,ijgqEN  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 z

PU& }7  
 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) @6>R/]  
\Nu(+G?e  
MI|DOp  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd G6xdGUM  
J4h7] qt  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ho2o/>Ef3  
8w~I(2S:#  
!}^c.<38Q  
6#On .Q  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 v
bmSbZ"y  
X&h4A4#P  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 *KF:  
59O;`y0  
GwV2`2  
'5KgRK"  
 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)。 g.X?wyg5  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 LpJ\OI*v  
m1=3@>  
应用示例详细内容 3x9O<H}  
`h(JD$w  
仿真&结果 `!DrB08A  
)H#Hs<)Qy  
1. 结果：利用光线追迹分析 ;Aiuy{<  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 H=z@!rJc.  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 ~Rk%M$E9  
a_m P$4T  
XRKL;|cd  
s2iR }<  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd xA#B1qbw  
BV$lMLD{r  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 m>$+sMZE  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 !zwnFdp  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， s"p}>BjMIC  
 |X`xJL  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 |]HU$GtS  
'O8"M  
s%>>E!Qi_  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms eP|:b &  
b4!(~"b.  
3. 衍射效率的评估 f GE+DjeA  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 S&8gZ~B  
Q1IN@Db}y  
B%Dy;zdWd/  
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。 @$gvV]
dA  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd *Eu ca~%=  
bQow,vf  
4. 结果：衍射级次的重叠 &4sUi K"  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 `UMv#-Y8  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 (EIdw\  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 c~b[_J)  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) ~d^+yR-  
 光栅方程： WZ'8{XY8  
p@/!+$^{  
a Umcs!@  
NQ !t`
  
w#U3h]>,  
5. 结果：光谱分辨率 :Sk0?WU  
6BRQX\  
9 bYoWw  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ^q_0(Vf  
mm'n#%\G  
6. 结果：分辨钠的双波段 u1/4WYJeJ  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 oU% rP  
   1Z6<W~,1OM  
*L%HH@] %_  
Kjc"K36{L  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 
]8*g%  
$`.7XD}  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run oh-Y  
*4Y1((1k
 
7. 总结 N\l\ M  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 $GNN*WmHw  
1. 仿真 RlyF#X#7{  
以光线追迹对单色仪核校。 c<wsWs 4V  
2. 研究 UGj!I  
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。 e3"GC_*#  
3. 应用 1T!b#x4  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Jm0P~E[n  
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。 QUVwO m  
扩展阅读 c^><^LGb  
1. 扩展阅读 M9HM:  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 !fZ\GOx  
{3@f(H m  
 开始视频 /qed_w.p  
- 光路图介绍 Ii%^z?'  
- 参数运行介绍 & V^Z  
- 参数优化介绍  msM  
 其他测量系统示例： Xa=oryDt  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 'Xoif"  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) YD H!Nl