[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) T5-4Q  
5YC(gv3/  
应用示例简述 %],.?TS2V  
1Kc*MS  
1.系统说明 mH8s'F  
zo\XuoZ  
 光源 uft~+w P  
— 平面波(单色)用作参考光源 Vs07d,@w>  
— 钠灯(具有钠的双重特性) WUa-hm2:  
 组件 `RmB{qgB  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 ~}ewna/2  
 探测器 MQG$J!N  
— 功率 :K8T\  
— 视觉评估 t 8M3VGN  
 建模/设计 8d$~wh  
— 光线追迹：初始系统概览 %eT/
:I  
— 几何场追迹+(GFT+)： w$B7..r  
 窄带单色仪系统的仿真 ut\9@>*J=Q  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 }qlz^s  
;H\,w/E9  
2.系统说明 4G`YZZQ  
>nr1|2  
W%h<@@c4,  
R2~Rqlti  
3.系统参数 r`7`f xe  
gJF;yW4  
#K)HuT  
{H>iL  
{O^1WgGc[  
4.建模/设计结果 "+XO[WGc  
ZcdS?Z2k  
 =6A<>  
;\&7smE[  
总结 BO[A1'>  
)
?TJ{'m  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 |Xu7cCh$me  
1. 仿真 c|O5Vp}  
以光线追迹对单色仪核校。 [yVU p+  
2. 研究 f%|g7[  
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。 +zw<iB)J  
3. 应用 4< H-ol  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 XM=`(e o  
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。 qK#* UR0%  
UHCx}LGe  
应用示例详细内容 6U""TR!   
系统参数 cdGl[dQ/  
"thu@~aC  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 H
[G EAQO  
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。 QR8F'7S  
9g*~X;`2  
T!*7G:\f"  
Xg%zE  
2. 系统参数 6>vj({,1Y*  
ipyO&v  
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。 67sb D<r  
*yX_dgC>[  
h\ybh  
sP&E{{<QTF  
3. 说明：平面波(参考) -51L!x}1c  
C<7J5  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 X:!%"K%}  
gT+/CVj R  
1R:h$*-z  
:?^(&3;  
4. 说明：双线钠灯光源 AzQ}}A;TSx  
yT,UM^'  
9c?izpA  
 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。 S_WY91r  
 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)。 \m\.+q]  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 Df4n9m}E  
7u
}r^+6_o  
$Z,+aLmb  
]pGr'T~Gj  
5. 说明：抛物反射镜 
&\(YmY  
[NFAdE  
v>e4a/
  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ^KhFBed  
 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。 " DFg"  
f2Slsl;
 
>/n/n{{  
Vw#07P#A  
@z,'IW74V  
kOc'@;_O  
6. 说明：闪耀光栅 '-~86Q  
{B}0LJIpL  
tJn2:}-s  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 9o18VJR  
 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 Zsuh8t  
jIW:O  
XNl!(2x'pb  
jBQQ?cA  
q\/|nZO4  
<)&ykcB  
7. Czerny-Turner 测量原理 {.2C>p  
yw
dNwNJ  
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。 }s|v-gRM{  
)I<.DN&  
K0v,d~+]  
w_Ls.K5"  
6`s[PKP.  
8. 光栅衍射效率 ^aC[ZP:  
BkJcT  
Vz,WPm$I  
 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。 $@NZ*m%?JQ  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 eu4x{NmQ  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) Du{]r[[C  
<FJ#Hy+  
v#X? KqD  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd PM|K*,3J  
(5I]umtge  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 OW.ckYt%  
PFc02 w  
(>jME  
m&x0
,8  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 7}#vANm  
(PNvv/A  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 FxUH?%w  
a2i   
l^vq'<kI  
s)N1@RBR  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 x;SrJVDN  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 ;aF / <r  
<E^:{J95  
应用示例详细内容 kz&)a>aA  
Uarb [4OZ  
仿真&结果 AiyjrEa%  
JE j+>  
1. 结果：利用光线追迹分析 l|&nG
CW  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 mkWIJH  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 6Ym[^U  
@M,_mX  
4j | vzyc  
1{~9:U Q  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd o#T,vu0s  
=thgNMDm"  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 _ 9k^Hd[L$  
 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)。 REt()$ 7~  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 
b2),J  
LJiMtqg  
 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。 \\'!<Bn2d  
1S=I(n?E  
$DMeUA\av  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms EfyF]cYL  
2"mO"2d%  
3. 衍射效率的评估 =tP|sYR]^  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 6zDJdE'Es  
Y3-P*  
N( /PJJ~  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 fLys$*^)^  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd x=H*"L=  
hA"N&v~  
4. 结果：衍射级次的重叠 ('gjfl  
 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。 %xg"e O2x  
 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)。 sz)3 z  
 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。 W<x2~HW(  
 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) Y,0O&'>  
 光栅方程： {
~Cqb7  
4Q]+tXes  
[<%yUy  
O,bj_CWx  
/yI~(8bO  
5. 结果：光谱分辨率 Z^h4%o-l{  
/fD)/x  
Lb];P"2e+  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ;~@2YPj  
p<![JeV  
6. 结果：分辨钠的双波段 !q/?t XM!  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 Ii"cDH9  
   d8x$NW-s  
2V  
W0?yPP=.  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 o30
PI  
~gV
|_G  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run E7*]t_p"  
SKYS6b  
7. 总结 B0YY7od  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 H_$"]iQ  
1. 仿真 ^&,{  
以光线追迹对单色仪核校。 KDY~9?}TM  
2. 研究 N.VzA 6C  
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~u k  
3. 应用 9(H8MUF0{  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 %;zA_Wg  
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。 R{*p\;  
扩展阅读 G q:7d]c~T  
1. 扩展阅读 '[A>eC++  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Bd7A-T)q!  
yP"_j&ef7  
 开始视频 \F<]l6E  
- 光路图介绍 eDy}_By^  
- 参数运行介绍 2x`# f0[  
- 参数优化介绍 V^f'4*~'  
 其他测量系统示例： }b+=,Sc"  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) Ru sa &#[  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) -Y+[`0$'