[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) .Zv uhOn^  
$n@B:kv5p  
应用示例简述 a/H|/CB3  
JQ]A"xTIa*  
1.系统说明 &>%9JXU  
O0,=@nw8.  
 光源 q<Zza  
— 平面波(单色)用作参考光源 ;B!u=_'  
— 钠灯(具有钠的双重特性) Omy<Y@$  
 组件 %.VFj7J  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 *b+~@o  
 探测器 M[7$cfp-Y~  
— 功率 Y|96K2BR  
— 视觉评估 jz72~+)T  
 建模/设计 P+t`Rw  
— 光线追迹：初始系统概览 A
s-xO~+  
— 几何场追迹+(GFT+)： rc+}KO  
 窄带单色仪系统的仿真 rWB/#m  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 C(kI
j  
r;cILS|Xr  
2.系统说明 8[xl3=  
sW]fPa(cn,  
xl4A<  
TQg~I/  
3.系统参数 TdWatvY5p  
Y]6kA5  
X(*MHBd  
6#DDMP8;I  
hO] vy>i;  
4.建模/设计结果  d| OEZx  
ErXzKf  
.DG`~Fpk  
#9ZHt5T=$  
总结 8%Hc%T[RnT  
o{?Rz3z  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 I$w:
qS&:  
1. 仿真 K]c\3[vR  
以光线追迹对单色仪核校。 XlDN)b5v{  
2. 研究 /@QPJ~%8Ud  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 pa8R;A70Dl  
3. 应用 JOFQyhY0>m  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 -b$m<\0*  
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。 f )Ef
-o  
:ExCGS[  
应用示例详细内容 -"~XI~a@Wo  
系统参数 Z(:q.{"r  
r:-,qy  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 fobnK~2  
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。 e .1! K  
<b#1L  
Dlqvz|X/  
S";c7s  
2. 系统参数 &ku.Q3xGs  
^LAnR>mz^r  
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。 Ssg1p#0J  
}NpN<C+  
^Cy=L]  
B3g#)  
3. 说明：平面波(参考) ^ZPynduR  
5/YGu=
,  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 {u)>W@Lr  
yB2}[1  
{j[a'Gb  
#G!\MYfQt  
4. 说明：双线钠灯光源 mr2fNA>kR  
T7R,6qt  
'|J~2rbyr  
 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。 u
F<}zFS  
 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)。 C8t;E`  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 _Nacqa  
fR>"d<
;T  
MnTJFo"  
&t:~e" 5<  
5. 说明：抛物反射镜 AjD?_DPc  
2$TwD*[  
]8f$&gw&A  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 -an~&C5\  
 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。 w:aV2  
7_ s7);  
t$z 5m<8  
bJoP@s  
#Q` TH<  
~$d(@T&  
6. 说明：闪耀光栅 ftxy]NLF  
EslHml#  
; ,n}>iTE  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 T^
Ol=QCu  
 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 @Y !Jm  
M$s9  
s"5wnp6pW  
V 5D8z  
IoZ_zz0  
~JHEr48  
7. Czerny-Turner 测量原理 bT15jN
a  
>|aVGY  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 m:6*4_!  
089v; d 6  
UM2yv6:/  
wvRwb  
5a&BgBO1M  
8. 光栅衍射效率 MY'T%_id  
[<WoXS1LX  
@%jY  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 @,m 7%,  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 XhUVDmeUMb  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) *k@D4F ruP  
-"rANP-UI  
.d6b?t  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd *!pn6OJ"Q}  
g@P
q<   
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 QmMA]Q  
'<$*N  
T:SqENV  
$[oRbH8g  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 \k{d'R#~(  
4~Y?*|G]m
 
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 8jY<S+[o  
4~1lP&  
!v8](UI8-  
tz5\O}  
 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)。 q07H{{h/B  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 =]S,p7*7  
(/FG#D.  
应用示例详细内容 .03Rp5+v  
%aV~RB#  
仿真&结果 izzX$O[=:  
TKQ^D  
1. 结果：利用光线追迹分析 OF2W UcQ  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 \OXQ%J2v  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 `O5427Im  
c dWg_WBC  
tSe[*V4{'  
Ri\\Yb  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd C-\3,  
%j/pln&  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 > `mV^QD  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。  /PTq.  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， Bw
rX.!M  
o=6 <?v7  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 ?L0|$#Iw  
ksTK'7*  
[.}Uzx  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 4;Vi@(G)  
PEg]z  
3. 衍射效率的评估 [b_qC'K[  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 GS7'pTsYH  
!^o{}*]Pi  
nSRNd A  
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。 TV#>x!5!d  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 3 NFo=Z8  
mZM,"Wq,  
4. 结果：衍射级次的重叠 _90<*{bt.  
 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。 *tv\5KW G  
 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)。 rNurzag  
 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。 P)#h4|xZ  
 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) _8!x  
 光栅方程： -2(?O`tZ  
BMqr YW  
Eg8b|!-')8  
|KY-kRN7  
jgS
3#  
5. 结果：光谱分辨率 p<zeaf0W  
y/:%S2za>  
Pd-LDs+Ga  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run R7K`9 c1f6  
$7W5smW/  
6. 结果：分辨钠的双波段 bt(Y@3;  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。
^B%c3U$o  
   CyS%11L  
w/"vf3}(9  
_aBy>=2c$  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 %-$BtR2@o  
_/'VD!(MV  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run CBF<53TshR  
*8uS,s6g  
7. 总结 a+\<2NXYD  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 cTS.yN({G  
1. 仿真 N{~P}Sw  
以光线追迹对单色仪核校。 oK 7:e~  
2. 研究 TLp2a<Iy  
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。 V.*y_=i8t  
3. 应用 }2;iIw`  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 /]_|uN)Q  
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。
^yqRa&  
扩展阅读 /zb/am1#  
1. 扩展阅读 YM6 J:89  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 /}J_2  
^,mN-.W  
 开始视频 w-2#CX8jY  
- 光路图介绍 Kh[l};/F  
- 参数运行介绍 =.&8ghJ*M  
- 参数优化介绍 dvqg H  
 其他测量系统示例： Yh!=mW!OY  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) lS#:u-k  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) +RJKJ:W