[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) yngSD`b_P  
(B7M*e  
应用示例简述 b"/P  
'~<D[](/F  
1.系统说明 "a>%tsl$K
 
gMFTZQsP  
 光源 oT_k"]~Q~2  
— 平面波(单色)用作参考光源 ){icI<  
— 钠灯(具有钠的双重特性) +f;z{)%B  
 组件 rF>:pS,`&  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Nr uXXd  
 探测器 h8$lDFo  
— 功率 ){5$8  
— 视觉评估 /c]I|$v  
 建模/设计 &NB[:S=  
— 光线追迹：初始系统概览 vb\UP&Ip  
— 几何场追迹+(GFT+)： pV<18CaJ  
 窄带单色仪系统的仿真 '!b1~+PV  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 !xA;(<K[^  

HwiG~'Ah9  
2.系统说明 G0xk @SE  
X<vv:  
gX.4I;  
-YJ7ne]  
3.系统参数 Z  r  
gM^ Hs7o,  
}
gGcYRT  
,M5zhp$  
-jFvDf,M,D  
4.建模/设计结果 cOxF.(L  
1vx:`2 A4  
k`'^e
/  
f*aYS  
总结 Bd31> %6  
O{%yO=`r  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ||0mfb  
1. 仿真 B14z<x}Q  
以光线追迹对单色仪核校。  r@/+  
2. 研究 *)T},|Gc  
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。 sJw#^l  
3. 应用 n]r7} 2hM  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 "tn]s>iAd=  
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.xsCcmP  
?2E@)7  
应用示例详细内容 K.JKE"j)d  
系统参数
k-*H=km  
Vyf r>pgW1  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 q~T*R<S  
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。 |Q@4F&k  
Kn?>XXAc  
69p>?zn  
VK[^v;  
2. 系统参数 [K9l>O  
\h!%U*!7{  
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。 {M)Y6\v  
s%1O}X$c  
)4toBDg"  
wJNiw)C  
3. 说明：平面波(参考) %}J[EV  
:uSo2d  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 pW2NrBq@w  
!NuiVC]  
RplLU7  
)R(kX
z=M  
4. 说明：双线钠灯光源 %-/[.DYt  
y U =) g  
J NPEyC  
 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。 f(6`5/C  
 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)。 HQCxO?  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 <v>^#/.
0  
'=Nb`n3%  
;}@.E@s%'  

@@-n/9>vs  
5. 说明：抛物反射镜 =8?y$WE  
YC8wo1;Y!  
07P/A^Mkx  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 @n"7L2wY  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 MzM"r"u  
1hp`.!3]H  
`*g(_EZsS  
@tGju\E"o  
WYSqnmi  
MKf|(6;~  
6. 说明：闪耀光栅 sEkfmB2J/  
Z-z^0QO  
't.IYBHx  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 w$[&ejFb  
 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 &kUEnwQ-  
=PYfk6j9  
t(AW2{%}  
wI8  
b 5<&hN4g  
U6cpj  
7. Czerny-Turner 测量原理 2[ = =  
>HNBTc=~t  
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。 = >CADT
U  
N-Fs-uB  
55q!2>Jh.  
Heh.CD)Q  
tg-U x  
8. 光栅衍射效率 =1sGT;>  
8?LsV<  
E)sC:
oO  
 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。 .j^tFvN~L
 
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 |y1O M  
 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) !l NCuR/T  
M$_E:u&D  
7.)kG}q]  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd %hDx UZ#0  
uDD{O~wF,  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 }?G([s56  
sjGy=d{:oL  
TWE>"8]  
y_mTO4\C2  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 $ix:S$  
@7UZ{+67*C  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 E$SYXe[,  
}aO6%  
!]f80z  
zVt1Ta:j  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 &3gC&b^i  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 )qSjI_qt5  
#zmt x0  
应用示例详细内容 GmhfBW?  
Y"H'BT!b}  
仿真&结果 =&T%Jm}  
xVxN @[  
1. 结果：利用光线追迹分析 s
>J\h  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 CWBlDz  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 \-Vja{J]  
M( w'TE@  
5 w-Pq&q  
^?M# |>  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd (aC~0 #4  
=/5^/vwgY  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 <+y%k~("  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 ycq+C8J+Ep  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， !$u:_8  
i?wEd!=w  
 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。 35Ro85j  
=kzuU1s  
rEHlo[7^
 
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms niA>afo  
RGgePeaw  
3. 衍射效率的评估 !;3hN$5  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 'm=TBNQTS  
knn9s0'Q  
*@I/TX'\rY  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 ]l7rM"  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 5GK> ~2c(  
vh"wXu  
4. 结果：衍射级次的重叠 a
yYl3  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 Ec9%RAxl  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 9dVHh?E  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 _-|/$ jZ  
 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) n'To:  
 光栅方程： ARUzEo gcf  
,(i`gH{D  
Qz4eQlWhp  
' !2NSv  
redMlHM  
5. 结果：光谱分辨率 WA6re
Z  
Wr3z%1  
d>gQgQ;g  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run CJjT-(a  
BZQ"[-V{  
6. 结果：分辨钠的双波段 }y1r yeW<  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ~|G`f\Ln"  
   iNs@8<=$T  
l(Ya,/4  
7@R^B=pb  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 00B,1Q HP  
CwM1 _3cE  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run x)jc  
>*/:"!u  
7. 总结 {[4.<|2
6  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 "!Qi$ ]  
1. 仿真 j.!5&^;u4  
以光线追迹对单色仪核校。 e?7y$H-  
2. 研究 j#~ S"t  
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。 IyEfisOK?  
3. 应用 Y[N@ )E_G  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 0.S7uH%
"  
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。 2]y Hxo/6  
扩展阅读 J`4V\D}n  
1. 扩展阅读 0GW69 z  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 f?r{Q  
.,sbqL  
 开始视频 Q@"}v_r4  
- 光路图介绍 #_Zkke~{  
- 参数运行介绍 eiCmd =O7  
- 参数优化介绍 Z;z,dw  
 其他测量系统示例： :IX,mDO  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) l,6' S8=  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) L&KL]n