[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) 5M8   
a(JtGjTf&  
应用示例简述 yYaYuf  
e \kR/<L
 
1.系统说明 oe9S$C;$'  
I2z7}*<u  
 光源 Vhm^<I-d  
— 平面波(单色)用作参考光源 u
9
1  
— 钠灯(具有钠的双重特性) |CS&H2!s  
 组件 RzB64  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 _ -ec(w~/  
 探测器 >X>]QMfh  
— 功率 }ZwnG=7T?  
— 视觉评估 tJGPkeA  
 建模/设计 %z @T /  
— 光线追迹：初始系统概览 !P6y_Frpe  
— 几何场追迹+(GFT+)： 9 771D  
 窄带单色仪系统的仿真 el^<M,7!  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 kl&_O8E+K  
Z%-uyT@a  
2.系统说明 w6B`_Z'f  
9I|Q`j?p`  
\\"
CgH-  
D{t0OvQag  
3.系统参数 2[Qzx%Vp  
z8};(I>)  
>R/^[(
[;]  
B)-P#,}  
6& 9q6IIy  
4.建模/设计结果 .B$3y#TOb  
t6+>Zr  
URTJA<r8D  
\ItAc2,Fl  
总结 { lZ<'p  
h/l?,7KHI  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 %cMayCaI!@  
1. 仿真 m)<N:|  
以光线追迹对单色仪核校。 tki
x@Q!;\  
2. 研究 A<g5:\3  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 JnH5v(/  
3. 应用 'ka"0~:NS{  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Y9(BxDP_+Y  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 D <Fl7QAb  
Z
Ozyf/?.  
应用示例详细内容 (b1rd  
系统参数 j)O8&[y=  
w?p8)Q6m  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 3j$,x(ua9  
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。 v\COl*  
1]jUiX=T  
z;i4F.p  
'8Lc}-M4  
2. 系统参数 M$LzV}k  
q/YO5>s15  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 nHF  
gq?~*4H  
e-o$bf%  
'P)[=+O?t  
3. 说明：平面波(参考) Fd0\T#k  
 *FoPs  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 P~*v}A  
l'Z `%}R  
E@;v|Xc  
/K#J63 ,  
4. 说明：双线钠灯光源 2$QuR~  
>za=v  
~;Xkt G:  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 /B9jmvj`  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 }=."X8zOI8  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 |teDe6\m  
,k3aeM~`%w  
Bcy$"F|r  
;]h:63S  
5. 说明：抛物反射镜 @-qC".CI  
Y~bGgd]T  
\8X8NCM  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 h!>NS ?X7  
 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。 4&LoE~  
F1o"H/:n  
-Qco4>Z8  
]^\+B4  
\OXKK<^$uK  
ed)!Snz   
6. 说明：闪耀光栅 p
NzGpCk  
U_,K_6vj  
%4E7 Tu,1  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 tlFc+3  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 /L"&'~  
`Lu\zR%<  
>taZ
w'  
=1vVITwl  
Kq0hT4w  
0Z{(,GU  
7. Czerny-Turner 测量原理 }t #Hq  
t|zLR  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 KPA5 X]  
YB}_zuZ4&  
S.OGLLprp  
way-Q7  
rzqUI*4%  
8. 光栅衍射效率 W}1h~rNy  
/_5
54q  
BPd]L=,/  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 )FqE8oN-  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 2'r8#,)  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) T;< >""T  
u$[T8UqF  
4.dMNqU  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd [@/[#p  
;"nEEe]?  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 =;$&:Zjy/%  
M$gy J!Pb  
F<w/@.&m  
`"CF/X^  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 V*'9yk"
 
U%45qCU  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 yK&)H+v  
d*,|?Ar*b  
8YN+
\  
+o/;bm*U<K  
 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)。 q#Qr@Jf  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 }%R6Su]y  
CsR~qQ 5  
应用示例详细内容 =4MiV]  

5>w>J  
仿真&结果 1^Zx-p3J  
1ck2Gxn  
1. 结果：利用光线追迹分析 .+B)@?  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 }RUC#aW1  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 qW<: `y  
oa1a5+A  
Vq'&t<K#  
n(f&uV_):  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 1=(i{D~  
XLbrE|0A?  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 #G{T(0<F  
 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)。 L6A6|+H%E  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， [bT@Y:X@`  
ohM'Fx"q  
 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。 {fN_itn  
.(1$Q6yG  
>v<}$v6D~  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms "iZ-AG!C  
"msg./iC  
3. 衍射效率的评估 j^!J:Bj  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 vP~F+z @g  
kh,M'XbTo  
tc,7yo\".  
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。 _mkI;<d]$T  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd *
j*jA/  
xZhD6'Zzz  
4. 结果：衍射级次的重叠 'b^:"\t'Rh  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 DU7Ki6  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 X7 ZaQ .  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 "+Qh,fTt  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) }> 1h+O  
 光栅方程： Dk"M8_-_  
/w!' [  
Z.mV fy%  
1VZ>*Tl  
\qTNWA#'  
5. 结果：光谱分辨率 u('OHPqq  
OVh/t#On  
B]qh22Yib  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 7kwG_0QO  
/pge7P  
6. 结果：分辨钠的双波段 Y3zO7*-@  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 q-3KF  
   4 ?c1c  
E8dp  
N7jRdT2k%  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 s,29_z7  
QJE-$ :  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run <V8i>LBlz  
Z{CL!  
7. 总结 6b8Klrar!  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 /g9{zR [  
1. 仿真 y^Jv?`jw  
以光线追迹对单色仪核校。 J-f0  
2. 研究 @}Z/{Z[@  
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。 QO>*3,(H,q  
3. 应用 SWGa%6|
 
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 D
vKM>P%|  
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。 : [9'nR  
扩展阅读 ppD~xg]  
1. 扩展阅读 g|HrhUT;  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 w+Z};C  
2&d&$Jg  
 开始视频 c\'pA^m6  
- 光路图介绍 Iq=B]oE  
- 参数运行介绍 &;skB.  
- 参数优化介绍 iQIw]*h^  
 其他测量系统示例： Q(IS=

 
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 3# (5Kco
 
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) yfW^wyDd2o