[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) u@p?  
==/n(LBD  
应用示例简述 0aR,H[r[?  
PN$ .X"D8  
1.系统说明 P6Bl *@G  
2JmZ
{  
 光源 #JA}3]  
— 平面波(单色)用作参考光源 /,5Z-Z*wq  
— 钠灯(具有钠的双重特性) Rq~t4sA:  
 组件 R7~Yw*#,  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 >EXb|vw
 
 探测器 SbsouGD,{  
— 功率 %lr|xX  
— 视觉评估  .Qt4&B  
 建模/设计 O`cu_  
— 光线追迹：初始系统概览 ~un%4]U  
— 几何场追迹+(GFT+)： J N
C  
 窄带单色仪系统的仿真 17hT
r  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 7.<^j[?  
LF*Q!  
2.系统说明 pz_e=xr  
1xnLB>jP#  
A1cb"N^  
&[?CTZ  
3.系统参数 (#(Or  
F5gObIJtuY  
.g\6g~n  
{bF1\S]2  
++[5q+b  
4.建模/设计结果 }bB`(B,m  
1 [z'G)v  
icUT<@0  
(UEXxUdQ_Q  
总结 =G-N` 39  
[JTto!Ih$  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 5b#QYu  
1. 仿真 lx,`hl%  
以光线追迹对单色仪核校。 Az*KsY{/r  
2. 研究 ),@f6](  
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。 ){Mu~P  
3. 应用 Kf7WcJ4b  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ]]iO- }  
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。 I#A2)V0P)  
Ar, 9U9  
应用示例详细内容 5K56!*Y  
系统参数 #]KgUc5B  
p5]_}I`+2  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 es.CLkuD7Y  
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。 A{,n;;  
Z/ bB h  
"/%89 HMD  
b#Kq[}  
2. 系统参数 AO0!liQ  
Jj"HpK>[  
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。 HD# r0)  
2P~)I)3V  
?F$6;N6x  
9q4_j  
3. 说明：平面波(参考) -$4kBYC l+  
4L:>4X[T  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 <O857j  
Q .RO  
`ti8-  
 mIc:2.q^  
4. 说明：双线钠灯光源 *v #/Y9}  
]W9B6G_  
sk X]8  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 )+~E8yK  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 lH1g[ ))  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 f~\Xg7<  
`
^8*<+  
VWvoQf^
+  
LdWc X`K  
5. 说明：抛物反射镜 F1u)i  
e@ oWwhpE  
>!BFt$sd  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 3IyZunFT  
 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。 ;L6Xs_L~  
-0|K,k  
E$S`6+x`:a  
6v47 QW|'  
G(OFr2M  
vl5){@   
6. 说明：闪耀光栅 %x2b0L\g  
\|q-+4]@,  
`jW4
H$D  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 ba&o;BLUy  
 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 P4%>k6X  
,f<B}O  
,ep9V,+|  
zD_HyGf  
n6cq\@~A  
Bcaw~WD  
7. Czerny-Turner 测量原理 JK^[{1 JI  
AN10U;p/O  
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。 <IH*\q:7  
8A/>JD3^  
oFyeH )!  
qy9i9$8  
r<_2qICgP  
8. 光栅衍射效率 b`]M|C [5  
ay[ZsQC  
PW^ 8;[\QP  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 5B|,S1b  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 EI
K*49b2  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) o*;2mFP  
B(Y.`L? %E  
h#O"Q+J9n  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd \\s?B K  
*H*\gaSh  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 UT;4U;a,m  
qb$_xIQpDL  
5G oK"F0i  
EE9v
k*[@C  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 "aA_(Ydzj  
||fvKyKW>  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 Y eO-gY[b  
>]?Jrs  
}{=8&gA0  
{g@A>  
 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)。 nrbazyKm  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 bQV("~#  
*I/A,#4r  
应用示例详细内容 *#GDi'0  
N6BNzN}-P  
仿真&结果 ,5:![  
MC6)=0:KX  
1. 结果：利用光线追迹分析 [yvt1:q  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 '2xcce#  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 >F|qb*Tm7  
&/DOO ^  
R(GmU4  
k%!VP=c4s  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd \Nyr=<c  
R9q0,yQW
 
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 %A=|'6)k2  
 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)。 :r-.r"[m-  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， -O /T?H  
l\Cu1r-z  
 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。 Se
g#s.  
LhZZc`|7t  
kMqD iJ  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms qkiJHT  
*f?S5.  
3. 衍射效率的评估 XUf7yD  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 S_j1=6#^  
|[DV\23{G  
bu_/R~&3{  
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。 nrF!;:x  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd )FV6

,  
B3eNFS  
4. 结果：衍射级次的重叠 +R9%~Z.=  
 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。 Fdr*xHx$P  
 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)。 Mc!2mE%47m  
 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。 V*>73I  
 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) tz"5+uuu  
 光栅方程： f>O54T .L.  
cB_pyX9Z  
(y 3~[  
,YQ=Zk)w  
[
6G=yp
 
5. 结果：光谱分辨率 /G{&[X<4U  
-*r[  
L!?v BL  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 48H5_9>:  
]&' jP  
6. 结果：分辨钠的双波段 F9v)R#u~  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 G2=F8kL  
   5d>nIKW  
g%+ql[(4  
y9=t;qH@|  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 AL(n*,  
<=$rU232}  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run D xe-XKNc.  
'lxLnX  
7. 总结 (_s;aK  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 zoR,RBU6  
1. 仿真 2;3x,<Cg  
以光线追迹对单色仪核校。 G% o7BX  
2. 研究 %uh R'8"  
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。 8y-e+  
3. 应用 $,}Qf0(S  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 K3a>^g  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 !}z%#$  
扩展阅读 A J<iM)l|
 
1. 扩展阅读 .L~fFns/  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 0@o;|N"i  
Bjurmo  
 开始视频 !1D%-=dWX  
- 光路图介绍 ]lymY _ >  
- 参数运行介绍 BT&rp%NO6l  
- 参数优化介绍 >|v=Ba6R0  
 其他测量系统示例： l0eANB%Y=@  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) &*X3
ch  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) We[<BJo4