[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)
P<LmCYm  
vm=d?*cR  
应用示例简述 NE|Q0g  
;B{oGy.  
1.系统说明 0W)|n9  
G#1W":|`  
 光源 [<wpH0lNoy  
— 平面波(单色)用作参考光源 5?f!hB|6  
— 钠灯(具有钠的双重特性) \GZ|fmYn  
 组件 nL]eGC  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 R.YUUXT  
 探测器 w8`B}Dr23  
— 功率 x-b}S1@  
— 视觉评估 F;T;'!mb  
 建模/设计 FgMQ=O2  
— 光线追迹：初始系统概览 1'1>B  
— 几何场追迹+(GFT+)： 0y2zjXM;3  
 窄带单色仪系统的仿真 bR?xz-g%<3  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 #wsi><7   
eZ 7Atuv  
2.系统说明 ^,`]Q)P^  
^E".`~R  
)&%Y{a#  
E,Xl8rC  
3.系统参数 6;(b-D
hi  
"@t bm[  
; FHnu|  
l9&L$,=  
lcVG<*gf-  
4.建模/设计结果 S#Tu/2<}  
.fS{j$  
PO,zP9  
{e0(M*u  
总结 $Z8riVJ7j-  
^UFNds'q  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。
F6"s&3D{  
1. 仿真 tqjjn5!  
以光线追迹对单色仪核校。 VHvL:z  
2. 研究 xE!b)@>S  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 '-3K`[  
3. 应用 uG-S$n"7K  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ,R=$qi|  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 ant2];0p  
5f2=`C0_  
应用示例详细内容 "Jdi>{o8  
系统参数 K>n@8<7  
^AERGB\36  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ^oNcZK>  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 +Eel|)Z*Q  
Y' 5X4Ks|  
_joW%`T8  
\S{ihS@J  
2. 系统参数 T&}KUX~Q/  
XV,ce~ro[  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 XJk~bgO*  
?yu@eo  
pimI)1 !$'  
{aUv>T"c  
3. 说明：平面波(参考) b`f6(6  
md|I?vk  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 12: Q`   
 `YO&  
Nnoj6+b  
?~cO\(TY["  
4. 说明：双线钠灯光源 Q5_,`r`  
'2rSX[$tf  
`G=+qti  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 ==trl#kQ%%  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 *z0
Rf;  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 6z'0fi|EN  
WcpH="vm  
Nz%pl!  
'Zqt~5=5  
5. 说明：抛物反射镜 7e D` is  
E,ooD3$h  
f lt'~fe  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 6="o&!  
 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。 %=V"
}P[  
K<WowU  
"Nz"|-3Irv  
$>Ow<!c  
/nEK|.j  
8cRc5X  
6. 说明：闪耀光栅 ?9?o8!  
Ok}e|b[D  
n7zM;@{7  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 "chf\-!$  
 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 gV*4{d`  
x}x)h3e  
G/w@2lYx  
XjYMp3  
`V.tqZF  
B}aW y&D  
7. Czerny-Turner 测量原理 YfNN&G4_  
"j.Q*Hazg  
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。 ^}:0\;|N  
f/Z-dM\e  
"u{ymJ]t  
D>`{f4Y  
%f(4jQ0I  
8. 光栅衍射效率 1k"i"kRM  
[~;wCW,1  
w[G-=>;  
 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。 #kJ8 qN  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 r\y\]AmF
 
 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) ]n$ v ^  
rERtOgi  
'uwq^b_  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd b'xBPTN  
'z+Pa^)v  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 LOgB_$9_3  
U<'$ \P  
f,BJb+0  
NVDIuh  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 "#{b)!EH  
;zWiPnX}  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 g7eI;Tpv  
Yt r*"-  
<&4~Z! O  
qzk]9`i1:  
 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)。 37V$Qb_  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 M2.*]AL  
Z(J 1A x  
应用示例详细内容 Exat_ L'
?  
\`8F.oZ^)  
仿真&结果 !'>#!S~h3  
d 5hx%M  
1. 结果：利用光线追迹分析 J,=^'K(  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 i-x/h-  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 s2nZW pIy  
u#->?  
@Z96902<t  
foI:`]2"*  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 2[KHmdgtB  
"7?xaGh8  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 rhN"
#?  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 -BsZw. 7P  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， aCBq
}Xcn  
mUiJ@  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 t4-0mNBZt$  
:vC+}.{p  
%\%&1  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms pf3-  
HZ\=NDz  
3. 衍射效率的评估 W7IAW7w8U  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 X)8Edw[?N3  
>DW%i\k1V~  
#|Je%t}~  
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。 14y>~~3C4  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd BkDq9>  
K%/g!t)  
4. 结果：衍射级次的重叠 X`I=Z ysB  
 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。 HA0yX?f]  
 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)。 AgdU@&^  
 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。 y<y9'tx  
 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) Bt
c[  
 光栅方程： ;ZZmX]kz,M  
S'sI[?\x  
1_LGlu~&  
|:d_IB@  
'EkjySZ]F{  
5. 结果：光谱分辨率 a#3,qp!  
G<t_=j/r  
cty  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run q4u-mM7#7  
' PmBNT  
6. 结果：分辨钠的双波段 *0 ;|  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 YMn=9EUp  
   FFf ~Vmw  
rrZ'Dz  
&|Vzo@D(!  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 V}4u1oG  
pz/vvH5  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run FsfP^a  
LeMo")dk\  
7. 总结 {^K&9sz  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 "ScY'<  
1. 仿真 W-vEh  
以光线追迹对单色仪核校。 et6@);F  
2. 研究 x4@IK|CE  
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。 0"`|f0}c  
3. 应用 `I5So-^&z  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 *&W1|Qkg_  
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。 NW
?h~2  
扩展阅读 p,#**g:  
1. 扩展阅读 5U(ry6fI=  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 T-lHlm  
[2zS@p  
 开始视频 Eb\SK"8  
- 光路图介绍 F#7A6|  
- 参数运行介绍 +/8KN  
- 参数优化介绍 lQer|?#  
 其他测量系统示例： XO4rrAYvW  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ,SoqVboRl  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) (t-JGye>