[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) RX3P%xZ  
H:TRJ.!w2  
应用示例简述 $# k
lgiL  
WW\t<O;z  
1.系统说明 &;I=*B~kE$  
/{QR:8}-Q  
 光源 b=(?\  
— 平面波(单色)用作参考光源 C7:;<<"P  
— 钠灯(具有钠的双重特性) VPBlU
 
 组件 {]ie|>'=C  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 lC):$W  
 探测器 KG=h!]Meq  
— 功率 H=,0p  
— 视觉评估 LX5, _`B  
 建模/设计 OFH!z{*  
— 光线追迹：初始系统概览 aAJ'0xnj  
— 几何场追迹+(GFT+)： SFP%UfM<  
 窄带单色仪系统的仿真 f}qR'ognUu  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 K)=<hL  
T$
)N2]FE  
2.系统说明 9[31EiT  
kB:6e7D|[  
/a@gE^TM  
) bRj'*  
3.系统参数 #4?Z|_j3  
fR]%:'2k  
MOp06  
" b?1Yc-  
a8$gXX-2  
4.建模/设计结果 Y;n;7M<F  
yCC.j%@  
C5k\RS9  
l.gt+
e  
总结 Tp-<!^o4  
lyZ[tPS  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 u^5X@.  
1. 仿真 [R-&5 G!x  
以光线追迹对单色仪核校。 "'i" @CR  
2. 研究 Wg\`!T  
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。 yhwwF n\  
3. 应用 x.J% c[Q8  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Y
I0ubB  
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。 DSb/+8KT  
UTT7a"  
应用示例详细内容 $;@LPE  
系统参数 b3$aPwv  
e[`u:  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 BC}+yS \  
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。 ~
_|OGp_a  
kWkAfzf4a  
`VJJ"v<L  
60*;a*cy  
2. 系统参数 &tKr ?l  
pzL !42  
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。 $mS]K!\  
HZ>8@AVa\  
#a :W  
1lA
x"VL  
3. 说明：平面波(参考) %x Xib9J  
IYb%f T  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 kaK0'l2%  
$]H^?  
l,(Mm,3  
b ] W^_
 
4. 说明：双线钠灯光源 kZ^}  
\=kre+g  
6L`{oSX!  
 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。 !sbKJ+V7  
 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)。 >=<qAkk  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ,VtrQb)Yf  
mn5
"kYy?
 
aahAUhF  
86.LkwlqoH  
5. 说明：抛物反射镜 f{]eb1  
KZK9|121  
}4 p3m]  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 W`$D*X0*o  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 v&.`^O3W  
1Tn0$+$.4  
H*SEzVb  
8UAbTqB-  
%&D,|Yl6  
N{lj"C]L  
6. 说明：闪耀光栅 <ZF,3~v?  
b?h
)~j5  
?zypF 5a  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 NS^(5g  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 u9d4zR  
@PYCl  
m-{t%[Y  
J2c.J/o  
2<Vw :+,  
ah82S)a`}  
7. Czerny-Turner 测量原理 =U:9A=uEvS  
FW?zJ  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 H<^*V8J 'w  
1pT v6  
bp'qrcFuiL  
u!&w"t61Nd  
t#kPEiD  
8. 光栅衍射效率 {i:5XL   
."N`X\  
'Gn-8r+  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 t}Z*2=DO  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 OokBi 02b  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) y:FxX8S$'e  
L&C<-BA/  
mLa0BIP  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd Qv3g 4iJ  

(IAc*V~  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 Hh/Z4`&yi  
-c^/k_n  
V}leEf2'  
(}$~)f#s  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 x~7_`=}rO  
UfE41
el:  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 MNy)= d&<P  
amPC
C  
EYe)d+E*  
a@1r3az  
 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)。 Ch`nDIne  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 b!>w4MPe  

|!0R"lv'u  
应用示例详细内容 O@.afk"{  
1|4'3^3  
仿真&结果 8J&K_JC^  
"82<}D^;  
1. 结果：利用光线追迹分析 TEgmE9^`)7  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ?[[K6v}q{  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 p1dqDgF*  
^7l.!s#$b  
M6ol/.G[  
@$5!
  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd !&~8j7{  
myp}DI(  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 !PCw-&  
 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)。 J- %YmUc)  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， yIS.'mK  
l:!4^>SC  
 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。 4:!KtpR[O  
l)PEg PSRV  
kNX(@f  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms R~-r8dWcw  
7\'ow|)}v  
3. 衍射效率的评估 x6,kG  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 X@,xwsM%tb  
]jWe']T  
jV_Eyi3  
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。 ulnG|3A9  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd +C~,q{u  
}2sc|K^  
4. 结果：衍射级次的重叠 a
8?Zb^  
 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。 d2w;d&2S  
 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)。 G0sg\]  
 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。 LK8K=AA3P  
 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) >x%Z^U  
 光栅方程： @Q"%a`mKH  
"RuH"~o  
k~ZwHx(%S  
{5+t\~q$  
xg~ Baun  
5. 结果：光谱分辨率 o;o ji  
MKd{y~'  
(h0i2>K  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 0T!_;IQ  
y8U|A0@$`  
6. 结果：分辨钠的双波段 NpRT\cx3  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 _oxc~v\<  
   ;0V{^  
*iB_$7n`  
@DT${,.49  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 I71kFtvcy*  
Rv=(D^F,  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run Aa*UV6(v  
GXC:~$N  
7. 总结 qyMR
0ai-  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 |H&2[B"
l  
1. 仿真 /nEh,<Y)  
以光线追迹对单色仪核校。 |F36^  
2. 研究 "Vp+e%cqG  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 TY"=8}X1  
3. 应用 sygAEL;.  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 \AOVdnM:  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 qw[)$icP  
扩展阅读 d$<HMs:o@  
1. 扩展阅读 >JVZ@ PV H  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ^{8r(1,  
T78`~-D4<  
 开始视频 3O<:eS~  
- 光路图介绍 k<uC[)_  
- 参数运行介绍 ysA~Nq@  
- 参数优化介绍 xW*L^97 ;  
 其他测量系统示例： /jih;J|  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 50Z$3T  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Ip]-OVg