[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) >i  
:atd_6   
应用示例简述 baG_7>Q9H  
s|XWw<Sa  
1.系统说明 sdO8;v>  
<S7SH-{_\  
 光源 C@q#s  
— 平面波(单色)用作参考光源 Hl%Og$q3  
— 钠灯(具有钠的双重特性) z6J12tu  
 组件 XZ.D<T"  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 M/.M~/~  
 探测器 /dg?6XT/  
— 功率 J/Y9X,  
— 视觉评估 ,m`&J?  
 建模/设计
.?3roQ  
— 光线追迹：初始系统概览 WGA&Lr  
— 几何场追迹+(GFT+)： {9Qc\Ij  
 窄带单色仪系统的仿真 bf.+Ewb(  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 V*s\~h)  
`_)9eGQ  
2.系统说明 Ih5Y7<8b~  
ejR$N!LL  
<Ez@cZ"  
` ~m/  
3.系统参数 *jc >?)k  
Y1r'\@L w  
.{ILeG  
~.^:?yCA  
cu?6\@cD  
4.建模/设计结果 bQI
:N  
;sYDs71y  
B=>Xr!pM!  
N)H+Ng[  
总结 }OcrA/  
`UzH *w@e  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 q7aqbkwz}  
1. 仿真 '=+N )O  
以光线追迹对单色仪核校。 Z)xcxSo  
2. 研究 Q`J U[nY  
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。 j^
b&Q  
3. 应用 :I";&7C  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ,)\G<q yO6  
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。 yO8@.-jb  
z"7?I$NQ  
应用示例详细内容 AX{<d@z`j  
系统参数 @(=?x:j  
tq}sedYhee  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 n)a/pO_  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 )ZLj2H<  
VWdTnu  
fuHNsrNlm  
n3V$Xtxw  
2. 系统参数 . &}x[~g  
d<ES  
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。 `xv Uq\  
]S?G]/k}  
R3_;!/
1  
8%4v6No&*  
3. 说明：平面波(参考) ^oC>,%7  
?6vGE~MuR  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 "S{GjOlEDF  
&=%M("IlD  
T<nK/lp1t  
~a7@O^q4  
4. 说明：双线钠灯光源 b?Q$UMAbH  
wDiq~!  
A9Ea}v9:  
 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。 G~&q  
 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)。 c3fi<?0&|  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 \C;Yn6PK0  
H 9/m6F  
T[[E)f1[  
w"M!**bP  
5. 说明：抛物反射镜 Ls|)SiXrY  
%ByqkY{5F  
It3@ Cd>  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 Yqu/_6wLx  
 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。 Y~( 8<`^  
~QE?GL   
&kWT<*;J)  
3M[d6@a  
a&mL Dh/  
9XS>;<"2  
6. 说明：闪耀光栅 o4rf[.z  
`7``1TL  
l'!_km0{d
 
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 i[33u p  
 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 5K|`RzZ`B$  
ZZxt90YR'5  
=y?Aeqq\fl  
DeN2P  
ZLP0SCkuR  
E7SmiD@)  
7. Czerny-Turner 测量原理 SZxnYVY  
.ArOZ{lKD>  
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。 Ho%%voJBS  
qw|B-lT{:  
[e|9%[.V  
*gwo.s  
6: R1jF*eG  
8. 光栅衍射效率 FhEfW7]0,  
$G/p[JG6-  
z+_d*\  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 l~1l~Gx_&n  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 lH,/N4r*&  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) UY\E uA9  
@9]TjZd  
(r.y   
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd &$pQ Jf  
ob)c0Pz  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置
PC,I"l  
1B{u4w7S4e  
BQgK<_  
+I.{y  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 r/+~4W5  
%NhZTmWm  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 D|C!KF (  
gHH[QLD=I  
?O#"x{Pk  
*u
>[  
 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)。 _^0UK|[  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 ,F|49i.K  
Fe 78YDx?  
应用示例详细内容 \VAS<?3  
~NK|q5(I  
仿真&结果 &x[V<
Gq  
|)ALJJ=+  
1. 结果：利用光线追迹分析 S]c&T`jx  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ^{O1+7d[.  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 ?j8_j  
s<LYSrd  
R{Me~L?  
7a%)/)<D  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd }K 2fwE  
N<HJ}geC"  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 #/>OW2Ny  
 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)。 {k<mN Y  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， $)jf  
0ol*!@?  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 Xf|I=XK  
#t&L}=G{%  
b;G#MjQp'  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms jQ P2[\  
T$Rf  
3. 衍射效率的评估 Vfr.Yoy  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 Dgz^s^fxU  
14 hE<u  
;c#jO:A5  
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。 vq5o?$:-  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd '!XVz$C  

6"c(5#H  
4. 结果：衍射级次的重叠 6L&_(/{Uw  
 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。 5oY^;)\/  
 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)。 EUuk%<q7C(  
 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。 qZh}gu*>  
 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) z7O$o/E-*  
 光栅方程： c"S{5xh0&  
iq`caoi  
[Pz['q L3t  
z7]GZF  
a`;nB E  
5. 结果：光谱分辨率 `z6I][Uf  
39Tlt~Psz  
_h P7hhR  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run d01]5'f?o  
E Ks4N4k  
6. 结果：分辨钠的双波段 LVBE+{P\5?  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 P^m&oH5]EG  
   ,uCgC4EP  
.]K{8[:hq  
o#=
O5@>ai  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 p2(Z(V7*  
oYrg;]H  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run /NFm6AA]  
C\gKJW^]y@  
7. 总结 u:%Ln_S  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 PI$K+}E  
1. 仿真 }6 MoC0  
以光线追迹对单色仪核校。 l !:kwF  
2. 研究 (cm8x  
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。 h~u|v[@{J  
3. 应用 4)E$. F^   
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 9 kLA57  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 ?4YLt|sn  
扩展阅读 =r>u'wRQ  
1. 扩展阅读 P?j;&@$^e  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 C?t!Uvs  
}]|e0 w:  
 开始视频 9qX)FB@'i;  
- 光路图介绍 `-w;/A"MJ  
- 参数运行介绍 w'a3=_nW  
- 参数优化介绍 t`E e/L%  
 其他测量系统示例： v8 pOA<s  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) M.fA5r
J^  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 7&vDx=W