[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) RA1K$D ?A  
(f;.
`W  
应用示例简述 MSE0z!t  
ZRj/lQ2D  
1.系统说明 r;_*.|AH  
KAg-M#  
 光源 mJZB@m u?  
— 平面波(单色)用作参考光源 V3(8?Fz.  
— 钠灯(具有钠的双重特性) i}5M'~F  
 组件 |j=Pj)5J  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 [ji')PCAi;  
 探测器 K-[;w$np0  
— 功率 d
kg| kw'  
— 视觉评估 @%jY  
 建模/设计 Rxlz`&  
— 光线追迹：初始系统概览 XhUVDmeUMb  
— 几何场追迹+(GFT+)： [>KnMi=o)  
 窄带单色仪系统的仿真 tyFsnck  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 nK}-^Ur  
7%Ou6P$^fr  
2.系统说明 _Kbj?j  
OXnTD!m>{  
w=FU:q/  
hP}-yW6]  
3.系统参数 ZCuoYE$g  
qM<CBcON  
3wg1wl|  
PD~vq^@Q  
\5}*;O@  
4.建模/设计结果 *7w!~mn[m  
jq%}=-%KE  
~OWpk)Vq  
0g9y4z{H  
总结 0BH-kr  
k"|Fu   
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 kbo9nY1k g  
1. 仿真 C3'?E<F  
以光线追迹对单色仪核校。 D#A6s32a  
2. 研究 hj}PL  
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。 =RAojoN  
3. 应用 {eVv%sbq  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 }0?XF/e(R  
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。 7'#_uAQR  
?aI.Z+#  
应用示例详细内容 )2Bb,p<Wr  
系统参数 G[6i\Et  
T;]Ob3(BpW  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 C80< L5\  
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。 >.I9S{7  
f[ KI T  
5WvsS( 9H  
F]fXS-@ c  
2. 系统参数 |*DkriYY  
|AT`(71  
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。 ~nb(e$?N  
V(8,94vm  
=sAU5Ag68  
GaV}@Q  
3. 说明：平面波(参考) M|Nh(kvH  
[jksOC)@4  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ^C92R"*Qu  
[H{@<*  
CI-1>= "OE  
i]OEhB Y  
4. 说明：双线钠灯光源 /4N?v. jf  
#d06wYz=  
1wm`a  
 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。 dS\!tdHP-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)。 u:Ye`]~o  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。
c2Exga_  
o)>iHzR</  
(G/(w%#7_  
#kh:GAp]  
5. 说明：抛物反射镜 ens]?,`0  
}+Q4s]  
t{QQ;'  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 (z8;J>7  
 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。 JU.!<  
; O(Ml}z  
#oR`_Dm)P  
\<\H1;=.@'  
H^54o$5  
ca3SE^  
6. 说明：闪耀光栅 =<7z :]  
ijUu{PG`X  
~#i2reG5  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 D.Cn`O}  
 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 rS+) )!
 
G.^)5!By  
e!o\AB%d  
5gII|8
>rQ  
jvAjnh#  
}+bo?~2E&  
7. Czerny-Turner 测量原理 ;obOr~Jx'5  
/qMnIo  
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。 EpQy;#=;  
B
-$?5Ft!  
S3i p?9  
1KbZ6Msy  
^)I}#  
8. 光栅衍射效率 )QRT/, ;c  
*W2)!C|  
iF":c}$.  
 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。 "(vK.-T  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ~\i(bFd)  
 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) ]uMZvAjb  
rfYa<M Qc  
3 o$zT9j  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd Rd5-ao4  
#z _<{' P"  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 7}y@VO6]  
Kw$@_~BJ6  
HA,8O[jon  
J*MH`;-  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 <
#4""FO*  
4L ]4WVc  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ~CbiKez  
}Hq3]L
VE  
*4NY"EwjN  
W]DGt|JP  
 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)。 [@5cYeW3.  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 8h }a:/  
rks"y&&Nc  
应用示例详细内容 4w=v /WDo  
F6111Q </  
仿真&结果 8a`3eM~?[  
{:*G/*1[.  
1. 结果：利用光线追迹分析 CHZ/@gc  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 IN<nZ?D#  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 S{N4[U?V>  
{Ji&rk}NP  
{U$XHG  
=0
]K(p,  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd bGL}nPo  
*?d\Zcj85[  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 JbL3/h]  
 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)。 $[?N^   
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， Yl>Y.SO  
ymqv@Byi8A  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 vs[!B-  
)^ZC'[93  
m BFNg3_  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms .\T!oSb4[  
7gN;9pc$  
3. 衍射效率的评估 X/cb1#  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 _AX,}9
 
d/j?.\  
2ua!<^,  
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。 l
+>Y
  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ;`LG WT-<F  

j0~am,yZ  
4. 结果：衍射级次的重叠 %L-qAI&V  
 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。 {*F =&D  
 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)。 k(^TXUK\o  
 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。 ?!U.o1  
 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) O50<h O]l  
 光栅方程： 9xz@2b@  
6'kQ(r>  
.=Oww  
{[tmz;C  
HVoPJ!K3  
5. 结果：光谱分辨率 w^ z ftm  
H=,>-
eVv*  
 B>:U  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run Q"~%T@e  
7F0J*M  
6. 结果：分辨钠的双波段 l$\B>u,>  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 m4oj1h_4  
   ]  &"`  
wU!-sf;]y  
@@K/0:],  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 q MrM^ ~  
G!sfp}qW  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run {+_p?8X  
Dt[+HCCY:  
7. 总结 BK4S$B  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 [(_,\:L${  
1. 仿真 D
!Y@Og.  
以光线追迹对单色仪核校。 rZpsC}C'  
2. 研究 1c#\CO1l  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 9#P~cW?  
3. 应用 S-o
)d  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 "1^tVw|  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 9q$^x/
z!  
扩展阅读 `.O$RwC&7B  
1. 扩展阅读 )#M$ov  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 N[3Y~HX!q  
(_ :82@c  
 开始视频 H!7?#tRU  
- 光路图介绍 %La7);SeY  
- 参数运行介绍 B*O/>=_  
- 参数优化介绍 bj@R[!ss  
 其他测量系统示例： R[l`# I  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) TO5y.M|7  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) $dKfUlO