[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) gCkR$.-E  
|<oqT+?i  
应用示例简述 FrLv%tK|  
*L*{FnsV  
1.系统说明 7)RvBc
M  
$*_79F2zN  
 光源 J[S!<\_!  
— 平面波(单色)用作参考光源 z}$.A9yn  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 7u:kR;wk  
 组件 g@/}SJh/>  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 PGYx]r  
 探测器 $X\2h+ Os  
— 功率 5K$<Ad4$b  
— 视觉评估 eIlovq/X  
 建模/设计 ~Ij/vyB_  
— 光线追迹：初始系统概览 xkSVD6Km  
— 几何场追迹+(GFT+)： jMS>B)'T
O  
 窄带单色仪系统的仿真 K g.O2F77  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 7'{Vh{.  
#NL'r99D/o  
2.系统说明 RwrRN+&s\  
hPgYKa8u  
KV6D0~  
r5(efTgAd+  
3.系统参数 DZH2U+K  
1Id"|/b%$  
WI&}94w  
OmfHrlA  
Wy/h"R\=  
4.建模/设计结果 \GioSg  
a gL@A  
lU$0e09  
{/aHZ<I&^h  
总结 N Mx:Jh-YN  
{9XNh[NbP  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 I};*O6D`  
1. 仿真 +/M%%:>mY  
以光线追迹对单色仪核校。 #@1(  
2. 研究 u'DpZ  
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。 _nX8f &  
3. 应用 ;$4&Qp:#  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 &=:3/;c  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 37jrWe6xwp  
AKk&  
应用示例详细内容 uAoZ&8D6  
系统参数 !3DY#  
2vsV:LS.  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ;, \!&o6  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 42}8es.aa  
~0?B  
ub`zS-vb  
WNKP';(a@G  
2. 系统参数 P6'Se'f8  
;mwnAO  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 ga S}>?qk  
_.BT%4  
KU]o=\ak%  
Unb3 Gv#O  
3. 说明：平面波(参考) p7r/`_'|  
'4Qsl~[Eh  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 o?a3hD  
5nsoWqnE8  
 j},i=v  
Qj(ppep\U"  
4. 说明：双线钠灯光源 {I?)ODx7qC  
Xw7'I  
0!$y]Gr  
 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。 Q[|*P ] w  
 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)。 HTvUt*U1  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 +PKsiUJ|  
m&'!^{av  
x7G*xHJ  
%k )H7nj  
5. 说明：抛物反射镜 #reW)P>  
?N!kYTR%}
 
LGX+_"  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 OIjSH~a.  
 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。 zZ<
*  
YgS,5::SU  
1)zXv  
~{vB2  
N>]J$[j  
lmL$0{Yr  
6. 说明：闪耀光栅 ~<s =yjTu+  
]6Awd A  
',LC!^:~Nw  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 tAI v+L  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 K4YD}[  
<yBa5m@/  
u|.7w2  
D>HbJCG4^  
8Gnf_lkI  
*kYGXT,f]  
7. Czerny-Turner 测量原理 J.M&Vj:  
woBx609Aak  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 X ,^([$  
1<_/Qu>V  
T&b_*)=S  
K:~tZ  
=adHP|S  
8. 光栅衍射效率 %b4tyX:N0  
FU>KiBV#  
DZ\K7-  
 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。 .5}Gt>4XM  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ~dpf1fP  
 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) dl6U]v=  
iR88L&U>  
gt02Csdt  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd kw]?/s`  
#d-zH:u
q  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 HTGLFY(&  
e6J^J&`|4  
k,k>w#&  
U,;796h  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 \]5I atli  
$j<KXR  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 yRXWd*9  
ZILJXX4  
#9!7-!4pW  
g<
.Is V  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 _6ck@  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Y|Gp\  
xz.Jmv  
应用示例详细内容 -C3[:g  
u;c W
IRG  
仿真&结果 yGAFQ|+  
Y68A+ B.  
1. 结果：利用光线追迹分析 Xo/H+[;X  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Z${eDl6i  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 uW=G1 *n-  
]77f`<q<}!  
\U>&W  

2Ki_d  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd S)j(%
g  
09jE7g @X}  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 Mb 4"bDBsl  
 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)。  QSY>8P  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， ,1N|lyV   
vszm9Qf
  
 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。 f5Gn!xF  
4\ Xaou2V[  
Mh5> hD  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms :=ek~s.UV  
rz k;Q@1  
3. 衍射效率的评估 F=1 #qo<?  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 ;(Ug]U%3_  
EGQgrwY5  
Hcu!bOQ  
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。 WK(X/!1/k  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 8{2  
&s vg<UZ  
4. 结果：衍射级次的重叠 DR}I+<*%aD  
 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。 aXJ/"k #Tl  
 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)。 kodd7 AD  
 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。 (b<0=U  
 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) 7K
hS{w6  
 光栅方程： 
#5)/B  
VYkh
@j  
nf 8V:y4  
8TeOh1\  
. c+m(Pk  
5. 结果：光谱分辨率 7`;sX?R
 
"N6HX*  
ge GhM>G  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run :#^qn|{e  
8$\j| mN  
6. 结果：分辨钠的双波段 {Fw"y %a^  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 PD0&ep1h7G  
   iiIns.V  
:QGo -,6-  
+?o!"SJ  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 4F#H$`:[  
@`4T6eL5  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run S7f.^8  
m.Zy$SDj(  
7. 总结 _90D4kGU  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 w>^(w<~Y  
1. 仿真 \j`0f=z_  
以光线追迹对单色仪核校。 ) bI.K[0^  
2. 研究 D0FX"B
Y7  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 {k_\1t(/  
3. 应用 &`l\Q\_[@  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 uv/\1N;V3  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 znsQ/[  
扩展阅读 nwKp8mfP  
1. 扩展阅读 [q2:d^_F
A  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 uNyN[U  
OA&'T*)-A6  
 开始视频 F~ 5,-atDM  
- 光路图介绍 )-)rL@s.  
- 参数运行介绍 x:MwM?  
- 参数优化介绍 Jq&Hz$L|  
 其他测量系统示例： yogavCD9b/  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) t[`LG)  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ?pW1}:z