[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) ,Y|WSKY*  
H$2<N@'4z  
应用示例简述 LadE4:oy  
V=%j]`Os  
1.系统说明 +C4UM9  
#*QnO\.  
 光源 X 4\  
— 平面波(单色)用作参考光源 b}DxD1*nsI  
— 钠灯(具有钠的双重特性) yu ~Rk  
 组件 hV,)u3  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 }GV5':W@WG  
 探测器 @Vl
Di1  
— 功率 WP/?(%#Y  
— 视觉评估 Ae,P&(  
 建模/设计 EqW/Wxv7b  
— 光线追迹：初始系统概览 '!8'Xo@Go3  
— 几何场追迹+(GFT+)： (* WO<V  
 窄带单色仪系统的仿真 DbRq,T  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 < {1'cx  
#~(J J  
2.系统说明 6_KO6O7g  
u-yVc*<,  
A.0eeX{  
g\;&Z  
3.系统参数 /DxaKZ ;b  
p:kHb@  
y7a84)j3  
Pc"g  
Npq_1L  
4.建模/设计结果 ?)x"+[2  
]iP  +Y  
;Mzy>*#$Q  
N@Fof(T&  
总结 L[M`LZpJo  
ozF173iI  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 WS17DsWW  
1. 仿真 2`2S94'  
以光线追迹对单色仪核校。 j5eX?bi_v  
2. 研究 b/>L}/^PM  
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。 fa~4+jx>S  
3. 应用 }:6$5/?  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 <d&9`e1Hc  
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。 fpESuVKr  
CF|4, K)  
应用示例详细内容 {3s=U"\  
系统参数 t@hE}R  
>M`ryM2=D  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 NT3Ti ?J,  
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。 X:3W9`s)*  
>ZX&2 {
 
Gp&o  
l)1FCDV  
2. 系统参数 YfB8  
h5+L/8+J^z  
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。 Z4@%0mFll  
(g>8!Gl  
w-2?|XvDmf  
y5oC|v7  
3. 说明：平面波(参考) 57nSyd]PR  
g#??Mz  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ONc-jU^  
g`N
J `  
/b ]Yya#  
-chk\75  
4. 说明：双线钠灯光源 #.Q8q  
-FxE!K  
1-!q,q  
 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。 &_1Ivaen6  
 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)。 #KFpT__F  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 &@dMIJK"(  
v
v 7T/C  
u)NmjW  
VZo,AP~  
5. 说明：抛物反射镜 uaiCyh1:  
N\f={O8E  
p K=  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 z8n=\xL  
 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。 cz{5-;$9Z  
.UdoB`@!v=  
7BNu.5*y  
Pr>Pxsr&  
8M5a&35J"  
{Xj2c]A1  
6. 说明：闪耀光栅 = nI
l$9  
krt8yAkG  
\H6[6*JuB  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Ok/U"N-  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 Lt<KRs  
+f+#W  
_--kK+rU  
i wFI lJ@  
"3\C;B6I  
S8S<>W  
7. Czerny-Turner 测量原理 6`V2-zv$  
2{`[<w  
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。 ea\b7a*  
OS.oknzZZ  
"&@v[O)!xu  
p3f>;|uh_  
L)mb.U$`c|  
8. 光栅衍射效率 :t'*fHi~  
}BR@vY'd  
{&qB!axj  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 <dd(i  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 b+6%Mu}o  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) kr=&x)Wy!  
.3Ag6YI0N  
#&oL iz=hZ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd p1mY@  
c}l?x \/  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 G\I DgPj`  
5Vj t!%?r  
kZfUwF:yN  
'x{E#4A  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 Wu\szI"  
|Nfi y  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 BY&+fKae  
FK:Tni  
!K0:0:  
3r]m8
Hp  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 5|pPzEA>  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Zd Li<1P*d  
B0&W wa:  
应用示例详细内容 /2&:sHWW  
n$})}kj  
仿真&结果 r^2>60q'  
p^yuz (  
1. 结果：利用光线追迹分析 TSPFi0PP  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ~|>q)4is6a  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 O:hCUr  
$vQ#ah/k  
LKx<hl$O  
$
7~T+fmF  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 555*IT3b
 
w:0=L`<Eu  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 }r)T75_1  
 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)。 7w_cKR1;  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， :K#z~#n  
@ 7WWoy  
 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。 UmC_C[/n?  
6y4&nTq[  
UF$JVb  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ~Ip-@c}'j  
7[)IP:I>  
3. 衍射效率的评估 Oapv`Z\i~  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 O`pqS\H  
S{sJX5R;  
{imz1g;  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 aSy^(WN8  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd qVpV ZH!  
UUuB Rtau  
4. 结果：衍射级次的重叠 |v[0(  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 MzWVsV  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 8pEiU/V  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 Pm Zb!|  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) 1_aUU,|.  
 光栅方程： @Ft\~ +}  
{ !;I4W%!  
W>*9T?  
1%R8q=_  
^V1iOf:  
5. 结果：光谱分辨率 +Ui @3Q  
v*&WxP^Gm  
t04_~e  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run +;ILj<!Z7  
?$>#FKrt  
6. 结果：分辨钠的双波段 cU+%zk  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ;nDCyn4i]  
   2Gw2k8g&  
Uzx,aYo X  
'DDlX3W-  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 #2XX[d%  
YoT<]'  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run )$.::[pNA  
6w )mo)<X  
7. 总结 ~eVq Fc  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Bc^%1  
1. 仿真 8`0/?MZ)   
以光线追迹对单色仪核校。 m#^ua^JV  
2. 研究 2%|0c\y|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。 HVq02 Z  
3. 应用 !b=jD;<  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 g ss 3e&  
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。 3[RP:W@%  
扩展阅读 b `7vWyp  
1. 扩展阅读 4=Wtv/ 3  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 d&@>P&AT  
.w.jT"uD!  
 开始视频 YEbB3N
  
- 光路图介绍 'pa>;{  
- 参数运行介绍 3>+9Rru  
- 参数优化介绍 =}$YZuzmU  
 其他测量系统示例： G>>`j2:y  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) N 9.$--X}D  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) rmzM}T\20