[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) zpcO7AY~  
Ma ]*Pled  
应用示例简述 :;&3"-  
7Ewq'Vu`y  
1.系统说明 78IY&q:v&0  
hdbm8C3  
 光源 b,#?LdQ%  
— 平面波(单色)用作参考光源 :M@#.  
— 钠灯(具有钠的双重特性) Ye/Y<Ij  
 组件 U@LIw6B!KL  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 W;F=7[h  
 探测器 ;a(7
%  
— 功率 {t('`z  
— 视觉评估 y*-D
 
 建模/设计 jZ<f-Ff0  
— 光线追迹：初始系统概览 VE^IA\J x  
— 几何场追迹+(GFT+)： FMl_I26]  
 窄带单色仪系统的仿真 2:1 kSR^Ky  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 H<l0]-S{  
fTi5Ej*/?)  
2.系统说明 |u[@g`Z  
)kE1g&  
R`%O=S*]  
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3.系统参数 ~01t_Xp qc  
_$T.
N  
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V"A*B  
4.建模/设计结果 2'}/aL|G  
fLuOxYQbf  
4`:Eiik&p  
[h0)V(1KR  
总结 MVp+2@)}s  
OlX otp8  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 =qww|B92  
1. 仿真 lkQ(?7  
以光线追迹对单色仪核校。 BHS8MV L@  
2. 研究 GOX2'N\h^  
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。 :?\Je+iA  
3. 应用 mHc5NkvQC  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 nO8e'&|  
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。 @.h;k4TD  
E~`<n]{G-C  
应用示例详细内容 X>eFGCz}I  
系统参数 g`41d  
 SB^xq  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 h:r:qk  
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。 E&\ 0+-Dw  
w[/m:R?eX  
ynZfO2kf  
X>Y>1fI.  
2. 系统参数 2Gn26L5
 
}IV=qW,  
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。 ^x}k1F3  
4R9y~~+  
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!4T7@V`G  
3. 说明：平面波(参考) e^-CxHwA-  
>'&|{s[m  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 G]gc*\4  
OsgjSJrf  
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ZY8:7Q@P>  
4. 说明：双线钠灯光源 _O`s;oc  
yzyK$WN\[3  
Z':w X  
 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{sRT=%  
 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)。 MJy(
B><  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 m 8P`n  
Z \;{e'#o  
XM:\N$
tg  
h&:XO9dY  
5. 说明：抛物反射镜 7~nuFJaTI  
otdm rw|  
C]ef `5NR]  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ulN
Mqz\.  
 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。 4&G #Bi  
r!/<%\S  
:[ll$5E.  
9QEK|x`8  
i?'|}tK  
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6. 说明：闪耀光栅 1krSX2L  
GyQvodqD  
.hK:-q,  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 r)[Xzn   
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 #?7g_  
{EyWS
f"  
NPLJ*uHH  
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P$&l1Mp  
'oF('uR  
7. Czerny-Turner 测量原理 :dwP  
%8?XOkH)  
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。 f;obK~b[  
YGOhUT |  
Z~ u3{  
!>)o&sM  
)8_MkFQe  
8. 光栅衍射效率 +w8$-eFY  
JHg y&/  
m`Pk)c0  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 ?{wD%58^oG  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 DJ|lel/'  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) T (? CDc+  
,z`* 1b8  
!JA//{?  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd P 4+}<5  
^#4Ah[:XA  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 M# cJ&+rP  
\W7pSV-U  
zEi\#Zg$  
6bT>x5?  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 TEi1,yc  
|cL,$G  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 zEYQZywc  
0N_u6*@  
5TLE%#G@+  
3(_:"?xA  
 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)。 Uz%2{HB@{  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 $0Un'"`S  
kzC4V  
应用示例详细内容 #?'@?0<6  
.HPa\b\L>  
仿真&结果 \Yh*ywwP#  
nxe9^h7m  
1. 结果：利用光线追迹分析 ':]Hj8t_  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 t\f[->f  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Av!xI  
'u6n,yRm  
EF'8-*  
$J#Z`%B^y  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd HJt '@t=Ak  
AYfL}X<Ig  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 jOm7:+H  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 |qpFR)l  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， D/+l$aBz  
3ej[  
 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。 ~bz$]o-<  
1P WTbd l  
W=Mdh}u_I  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ?0+N  
uzIM?.H  
3. 衍射效率的评估 {+V ]@sz  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 +3Z+#nGtk  
Y~@(  
_%(.OR  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 yJMo/!DZ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd <,Mf[R2N>  
P3v4!tR  
4. 结果：衍射级次的重叠 ,s/laZ)V  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 gZ8JfA_\R(  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 1p=bpJC  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 ??lsv(v-  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) ,\N4tG1\  
 光栅方程： \{v-Xe&d^  
H~bbkql  
V!N
R
BXg  
e$E>6Ngsr  
m[Mw2F  
5. 结果：光谱分辨率 7MsJ*En  
a*uG^~ ).  
I=
a?z<  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run W j`f^^\HJ  
W)8Pq9Hnv  
6. 结果：分辨钠的双波段 stiYC#bI:  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 $LiBJ~vV<  
   Wl}J=  
KyBtt47\  
J0B*V0'z
R  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 N:~4>p44[  
dA<_`GFR  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run $F NH:r<  
r_kaS als  
7. 总结 9 9^7Ek!z#  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 N#XC%66qy!  
1. 仿真 A(H2Gt D  
以光线追迹对单色仪核校。 =Aw`0  
2. 研究 2s
p4Mm  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 [Y j:H  
3. 应用 x,|fb
lQz  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 AnK X4Q  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 Wevd6)\  
扩展阅读 .&I!2F  
1. 扩展阅读 >XX93  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Q$sC%P(y  
W }v ,6Oe  
 开始视频 'p@m`)Z  
- 光路图介绍 t<`d*M2w  
- 参数运行介绍 d
I>cPqQ  
- 参数优化介绍 y=Z[_L!xr  
 其他测量系统示例： .{|SKhXk  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) %(]B1Zg6,  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) YL78c
WOs