[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) yTj!(C  
78'HE(*  
应用示例简述 rGjP|v@3^  
|#hj O3  
1.系统说明 ""-#b^DQ  
ktQMkEj#  
 光源 )*j>g38?  
— 平面波(单色)用作参考光源 J,@SSmJ`  
— 钠灯(具有钠的双重特性) %mLQ'$  
 组件 Y`$dtg {  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 H(}Jt!/:  
 探测器 2flgfB}2k  
— 功率 u#TRm?s  
— 视觉评估 v X=zqV  
 建模/设计 34k}7k~n  
— 光线追迹：初始系统概览 =3KK/[2M  
— 几何场追迹+(GFT+)： u~kfz*hz  
 窄带单色仪系统的仿真 8WT^ES~C  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 X}XTEk3[  
>kK!/#ZA  
2.系统说明 f+*wDH  
VKzY6  
]`[r=cG  
sfLH[Q?  
3.系统参数 6$42-a%b  
tG1,AkyZ  
gWlv;oq  
QL_~E;U  
y^u
tMH  
4.建模/设计结果 ssdp
wn'  
oSGx7dj+  
RPH]@  
l5?fF6#j  
总结 ,{4G@:Fm  
?|Q[QP  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 #9HQW:
On  
1. 仿真 if|j)h&  
以光线追迹对单色仪核校。 "S#}iYp  
2. 研究 [=Qv?am  
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。 Y\CR*om!W  
3. 应用 0I|IL]JL  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 "rnZ<A}
  
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。 qx#k()E.U  
>FrF"u:kM  
应用示例详细内容 &c;@u?:@S  
系统参数 eVRFb#EU0e  
h>s|MZQ:*  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 m(~5X0  
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。 }zA kUt  
l`#XB:#U  
#;4afj:2g  
;4E.Yr*  
2. 系统参数 =\jp%A1$  
qU ESN!  
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。 YX||\  
+4[L_  
>.P/fnvJ  
&4g]#A>@  
3. 说明：平面波(参考) SZGeF;N  
T6 K?Xr{_  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 K YSyz)M}  
z|';Y!kQ  
U g'y  
mkJC*45  
4. 说明：双线钠灯光源 <<xUh|zE  
s)?=4zJ  
#LP38wE  
 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。 y.KFz9Qv  
 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)。 _RzwE$+9  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 wUnz D)  
{9yv3[f3  
^|h5*Tb  
}3G`f> s  
5. 说明：抛物反射镜 -ahSFBZlg  
-2)6QKh~D  
Mq!vu!  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 $d<vPpJ3  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 7=$@bHEF#*  
vr/O%mD
p  
gBF2.{"^  
$L~?!u&N  
[2]Ti_ >D  
;S+UD~i[Bu  
6. 说明：闪耀光栅 4Dd@&N  
E?L^
L3s  
J$9`[^pV  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 c ilo8x`  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 r8o9C  
?{@UB*  
WtT* 1Z  
RW4}n< 88  
m :6.  
~EYsUC#B_  
7. Czerny-Turner 测量原理 !B&OK&*  
7Wd}H Z  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 3M5+!H  
*]L(,_:"  
V^n?0^o  
J}$St|1y  
wt8?@lJ"/  
8. 光栅衍射效率 0E6>PE;  
v)^8e0vx  
-tQi~Y[]  
 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。 [,s{/32s  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ~1_v;LhH5+  
 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) COV8=E~  
G
Fq,Ca~  
L7\rx
w  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 3Pj#k|(f[0  
Ukf4Q\@w  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 b7thu5  
w=dTa5  
!$q *~F"S  
2X:OS/  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 *0EB{T1  
(%bqeI!ob  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ~\UH`_83[  
s{"}!y=]  
N ,8^AUJ3&  
1E1oy(\V  
 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)。 yvQRr75
  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 vz\^Aa #fv  
hd~3I4D  
应用示例详细内容 XL10W ^  
kYwV
0xQ  
仿真&结果 vpnOc2 -  
)<<}8Fs  
1. 结果：利用光线追迹分析 ~
d9R:t1  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 M,uQ8SZA[  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 W7\s=t\  
^lI>&I&1  
/t4#-vz  
ZxDh94w/  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd X(YR).a~  
WbIf)\  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ;J]
Lzh  
 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)。 +!@@55I-  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 4!l%@R>O2  
_J N$zZ{  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 j\/Rjn+:[  
SU8vz/\%y  
rV5QKz6'  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms eu^B  
Xb/W[rcs  
3. 衍射效率的评估 vrGx<0$  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 -45xa$vv  
D^!x@I~:  
,; 81FK  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 W%&[gDp  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd Omkp
jr(1  
`S&.gPE2  
4. 结果：衍射级次的重叠 n _H]*~4F  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 Klv~#9Si  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 2k}8`P;  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 Z%_m<Nf8T  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) ]b&"](A  
 光栅方程： IXz)xdP  
8-"lK7  
!!\OB6  
'Cq)/
}0  
xGBp+j1H  
5. 结果：光谱分辨率 P c'0.4  
Gc1!
')g!  
f,s1k[w/;  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run T\
"eqa  
K'DRX85F  
6. 结果：分辨钠的双波段 a6/$}lCq  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 KhWt9=9  
   ?T (@<T  
YU(|i}b  
`#Yv(a2TY  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 k2@|fe  
{~=Z%Cj2Q  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run o4l=oY:'  
Y`tv"v2  
7. 总结 t:N3k ;k  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 e5HHsR6  
1. 仿真 XW2{I.:in>  
以光线追迹对单色仪核校。 ;bh[TmQTJ  
2. 研究 xUw)mUn@N  
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。 m0$~O5|4  
3. 应用 g"P!KPrf1p  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 V9SkB3-'  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 zF-M9f$_PY  
扩展阅读 F8T.}qI  
1. 扩展阅读 qz]g4hS  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 e ab_"W   
!IUH 5  
 开始视频 {YT@$K]w,  
- 光路图介绍 \5ZDP3I  
- 参数运行介绍 Scfk]DT  
- 参数优化介绍 ~a RK=i$F  
 其他测量系统示例： \y\@=j  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) D?Y j5eOa
 
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 7L"Pe'Hw