[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) FYefn3b  
CtD<%v3`  
应用示例简述 w T_l>u  
D(dV{^} 9  
1.系统说明 g}a+%Obb  
[
C~N#S[]  
 光源 v@s"*E/PF7  
— 平面波(单色)用作参考光源 @ptrF pSL  
— 钠灯(具有钠的双重特性) _,UYbD\[J}  
 组件 erTly2-SJ  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 n-qle5sj  
 探测器 cd=H4:<T5  
— 功率 V2@(BliP  
— 视觉评估 !O'p{dj][  
 建模/设计 ';D>Z?l  
— 光线追迹：初始系统概览 K]7[|qf&   
— 几何场追迹+(GFT+)： EqI
s&){  
 窄带单色仪系统的仿真 EUH9R8)  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 w( @QRd{  
pI>GusXg  
2.系统说明 !/|B4Yv  
v{*2F  
) R\";{`M  
Ep')@7^n  
3.系统参数 Iq6EoDoq  
d0zp89BEn  
Yc3\
 
^r7KEeVD  
s`.J!^u`  
4.建模/设计结果 M;KeY[u  
7M?Sndp$  
p#rqe<Ua  
'9<8<d7?  
总结 ]<q!pE
;t  
4ISIg\:c*  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 j0Os]a  
1. 仿真 JlEfUg#*  
以光线追迹对单色仪核校。  0XyPG  
2. 研究 HoWK#Nz\  
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。 P(C5@x(Z  
3. 应用 >^<;;8Xh  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 b#t5Dve  
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。 EF=5[$ u  
L"jjD:  
应用示例详细内容 8/ukzY1!  
系统参数 ;\j'~AyCn  
8hyXHe  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 &rG]]IO  
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。 MBQ|*}+;  
-ntQqHs  
/>>KCmc  
R7FI{A  
2. 系统参数 WBzPSnS2  
PBiA/dG[;  
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。 W}(T5D" 3x  
.=hVto[QC  
Lo}/k}3Sx  
*F(<:
3;2  
3. 说明：平面波(参考) ; =*=P8&5  
, BZ(-M  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 FZ8Qj8  
k%s,(2)30  
%Z*)<[cIE0  
"Z dI~
 
4. 说明：双线钠灯光源 'S#^70kt  
v9t'CMU  
0+w(cf~6  
 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。 E2S#REB4  
 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)。 V%zo[A  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 %?S[{ 4A&  
u:w
ijkx
 
.I^Y[_.G  
}R
hSt]  
5. 说明：抛物反射镜 : 'jVA  
'Ir  
9p4SxMMO  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 4 .(5m\s!  
 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。 6hXh;-U  
-7Kstc-  
=<ht@-1  
l#p?lBm1  
,1vFX$  
Ngm/5Lc  
6. 说明：闪耀光栅 '68#
7Hs.  
kmu7~&75  
oj,;9{-  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 /7-FVqDx8  
 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 wx2 z9Q  
a5w E{K  
dXU6TCjU7  
1gLET.I:  
rDc$#  
 (8/&  
7. Czerny-Turner 测量原理 {D[z>I;D  
+)_DaL E  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 MOuEsm;  
4#ifm#  
)|Ka'\x
r  
.9<euPrz  
Y"m}=\4{  
8. 光栅衍射效率 `vf]C'  
V.ae 5
@;  
UyDq`@h  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 &nY#GHB  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 +.*=Fn22  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) fA),^  
K>-01AGHL  
8N`Rf;BM  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd F9q!Upr_+  
1Z_
H%(  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 3i9~'j;F3  
W4nhPH(  
<anU#bEuQ  
`t g=__D  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 h+9~^<oFl  
/In=u6D O  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 gaE8\JSr  
h6;zAM}  
sAF="uB  
)k4&S{=  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 5`::#[  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 }CrWmJu0  
LvL2[xh%&  
应用示例详细内容 71\GK  
acj-*I  
仿真&结果 q3
GkfgY  
MK!Aq^Jz  
1. 结果：利用光线追迹分析 1I8<6pi-  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ^Qxv5HS2  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 r(zn1;zl  
Y&$puiH-j  
/9?yw!  
s/P+?8'9  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd &=wvlI52`  
SPtx_+ Q)S  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描
I(Vg
 
 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)。 pLMaXX~4_  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， YuoIhT  
"@Qg]#]JH  
 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。 KfQR(e9n   
$A T kCO  
h)z2#qfc  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ,!P}Y[|  
b]N&4t  
3. 衍射效率的评估 Qp>Z&LvC5  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。
*lQa^F  
FRayB VHL  
mR8tW"Z2  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 @Z<Z//^k  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd P4 #j;k4P  
:b;`.`@KL_  
4. 结果：衍射级次的重叠 4"\%/kG  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 iMQ0Sq-%1  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 ciFqj3JS  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 7'|aEH  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) F]s:`4  
 光栅方程： x]t$Zb/Uxa  
B_XX)y%V  
eAG)+b  
`X<a(5[vV3  
`^h:}V  
5. 结果：光谱分辨率 r^ABu_u(`I  
S7~HBgS<  
6r`Xi&  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run Xx\,<8Xn  
al7D3J  
6. 结果：分辨钠的双波段 'c3'eJ0  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 
?MS!t6  
   K@a#^lmd  
3{|]@ L  
@7{.err!  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 V~do6[(  
FwD q@Oj  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run uJ0Wb$%  
>=.3Vydi1  
7. 总结 !-ZY_  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 0;hn;(V]"  
1. 仿真 FOjX,@x&  
以光线追迹对单色仪核校。 nwIj?(8x  
2. 研究 mmy/YP)  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 <-,y0Y'  
3. 应用 PX`xr1o  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ;WhRDmT  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 Oz)/KZ  
扩展阅读
_/Ay$l;F  
1. 扩展阅读 </aQ  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 oe!4ng[  
7OS i2  
 开始视频 po.QM/b \  
- 光路图介绍 kO$n0y5e  
- 参数运行介绍 n^*,JL9@  
- 参数优化介绍 s_e*jM1  
 其他测量系统示例： 7NnXt'  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) :[0)Uu{  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) RL fQT_V