[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) /T_tI R>  
+mAMCM2N  
应用示例简述
sp
FsrB  
4W^0K|fq  
1.系统说明 9}3W0F;  
o#w6]Fmc  
 光源 zwAuF%U  
— 平面波(单色)用作参考光源 rytizbc  
— 钠灯(具有钠的双重特性) f'r/Q2{n  
 组件 U>X06T  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 d6(qc< /!r  
 探测器 i?
|K+"=D  
— 功率 BPi>SI0  
— 视觉评估 \ fwf\&  
 建模/设计 5%G+
+oLXf  
— 光线追迹：初始系统概览 Kji}2j'a  
— 几何场追迹+(GFT+)： a>s v  
 窄带单色仪系统的仿真 *~fN^{B'!  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 xaSkn  
sW=@G'}3  
2.系统说明 R%}k52`  
!3T x\a`?/  
eKu&_q  
# &M  
3.系统参数 2c+q~8Jv  
_X@:-_  
;1eu8N8  
pX*mX]  
m]u#Dm7h  
4.建模/设计结果 2TAy'BB;)  
:0srFg?X  
g%\e80~1(  
'TbA^U[  
总结 _$Fi]l!f  
o}Xp-P   
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ]|732Z  
1. 仿真 [NKWudq  
以光线追迹对单色仪核校。 Q"Bgr&RJ  
2. 研究 q].C>R*ux8  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 _IY)<'d  
3. 应用 -(1e!5_-@  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 2_Pe/  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 DPe`C%Oc1  
a%-Yl%#  
应用示例详细内容 w=f8UtY9@A  
系统参数 huR<+ =!  
1 9)78kV{  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 V];RQWs  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 ! q1Ql18n  
~S=hxKI  
W``e6RX-  
LpF6e9V\Wp  
2. 系统参数 |a"(Ds2U  
oYqC"g&4Z  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 oiR`\uY  
.^v7LF]Q  
=+"XV8Fi,  
P089Mh9  
3. 说明：平面波(参考) Gge"`AT  
v'iQLUgI  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 @{$SjR8Q $  
AM}OLHj  
{`}RYfZ
 
?s_q
|d_  
4. 说明：双线钠灯光源 &MKv_  
\[8I5w-  
E*'O))  
 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。 _R8-Hj E  
 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)。 > h:~*g  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 _mO\Nw0  
b>waxQxjS  
RZz].Nx  
=F:d#j>F  
5. 说明：抛物反射镜 #6YNgJNk  
z3$PrK%  
IYj-cm  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 jbg@CA*=C  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 1f~DUku=  
jy1*E3vQ  
q= tDMK'h  
Eu0_/{:  
)>?K:y8I~  
1ITa6vjS  
6. 说明：闪耀光栅 d:j$!@o  
{j(,Q qB;f  
,iHl;3bu  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 muY4:F.C(  
 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 ;,F}!R  
D!y Cnq=8  
2R)Y}*VX  
kgA')]  
Nc]]e+N#V  
0Uybh.dC  
7. Czerny-Turner 测量原理 J \G8g,@  
9oN b= .  
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。 sbG3,'i)  
7?F0~[eGG  
2.CI^.5&  
B!9<c9/ P]  
uWgY+T  
8. 光栅衍射效率 fRq2sK;+  
&%FpNU9
 
eH75:`  
 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。 6\(\  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 y%z$_V]  
 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) W4X=.vr  
s%I)+|  
5{j1<4zxR  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd e6,/i  
Xul<,U~w6  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 BQ &|=a6  
U%"v7G-  
Fvl_5l  
P>Pw;[b>O  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 1VH7z  
iVwI}%k  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ':6`M  
jl%27Ld  
vm 1vX;  
):kDWc  
 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)。 gT?
:zd=;  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 &O7]e3Ej  
"NMX>a,(  
应用示例详细内容 o@XhL9  
l'y)L@|Qrh  
仿真&结果 s<h]2W  
ZvM~]8m  
1. 结果：利用光线追迹分析 D!^&*Ia?2  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 X
y5#wDRC  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 w|lA%H7`J  
WzDL(~m+Z  
p.~hZ+ x_  
PFq1Zai}n|  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd =ss(~[  
'I^3r~_  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 {DlQTgP  
 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)。 ' d' Dlg  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， QMwrt  
(JenTL`%u  
 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。 h9-^aB$8^  
$`;1][OD  
PuO5@SP~  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms .6C9N{?Tqf  
eO%w i.Q  
3. 衍射效率的评估 tx`gXtO$  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 6,Z.RT{5  
#w]UP#^io  
g&&-  
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。 HD%n'@E  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd D`c&Q4$:  
(sDZ&R  
4. 结果：衍射级次的重叠
n Nu~)X  
 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。 "zE>+zRl  
 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)。 ;}B6`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。 W79Sz}):  
 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) 2^w8J w9  
 光栅方程： "50c<sZSB  
M
!tR>NMH  
u7nTk'#r  
@6"+x  
D]=V6l=  
5. 结果：光谱分辨率 joA>-k04  
`eEiSf  
imc1rY!~'  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run )k[{re  
PiIP%$72O  
6. 结果：分辨钠的双波段 oL U!x
 
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 :JXGgl<y  
   j4wsDtmAU  
a9_KoOa.H  
H0\',X  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 .4J7 ^l  
HDi_|{2^  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run |
R;`  
Y)68  
7. 总结 s|][p|  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 B{K_?ae!  
1. 仿真 R8>17w.  
以光线追迹对单色仪核校。 ,&iEn}xG7i  
2. 研究 QL\3|'a  
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。 jZk dTiI  
3. 应用 +h?Gps  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 5Mp$u756  
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。 =, 64Qbau  
扩展阅读  c`}YL4  
1. 扩展阅读 \0;EHB  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Tdxc%'l  
mUfANlQ:  
 开始视频 \;Sl5*kr  
- 光路图介绍 $\aJ.N6
rb  
- 参数运行介绍 Ow{NI-^K  
- 参数优化介绍 Hv*+HUc(:  
 其他测量系统示例： g6h=Q3
@  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 2UMX%+ "J  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) &S[>*+}{+