[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) $q_R?Eay  

Sk}{E@  
应用示例简述 }%TPYc  
7 oQ[FdRn*  
1.系统说明 )Si2u5  
,"\@fwy{  
 光源 R>/NE!q  
— 平面波(单色)用作参考光源 (JUZCP/\  
— 钠灯(具有钠的双重特性) mr:CuqJ  
 组件 W!T"m)S  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 M.q=p[  
 探测器 y<:<$22O  
— 功率 #
_i`#d)  
— 视觉评估 !do?~$Og  
 建模/设计 9'[ N1Un.=  
— 光线追迹：初始系统概览 x,n,Qlb  
— 几何场追迹+(GFT+)： !bnyJA  
 窄带单色仪系统的仿真 1}%B%*N  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 9?<{_'  
BlA[T%  
2.系统说明 4_/?:$KO  
/Ncm^b4  
c;2#,m^  
n'1'!J;
Q  
3.系统参数 O%8EZyu  
z4X}O {  
8s{?v&p  
l{j~Q^U})  
v'!a
\b`9  
4.建模/设计结果 Ho;X4lo[j  
PwB1]p=  
<{5EdX  
*)M49a*UD  
总结 v59dh (:`Z  
)3Z ^h<"j  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 BZ!v%4^9  
1. 仿真 &-d&t` `  
以光线追迹对单色仪核校。 o1cErI&q"  
2. 研究 :a ->0 l  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 ?i
I4x%y  
3. 应用 !8NC# s  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 +ZM)bbB  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 #|&Sc_#4)  
:L44]K5FL  
应用示例详细内容 fC
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系统参数 (0YZZ93  
eIRLNxt+v  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 (3J$>Na  
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。 z|EEVNFd&  
,(8;y=wux  
+t5U.No  
~cTN~<{dq  
2. 系统参数 y{dTp  
$,+O9
Et  
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。 &e6CJ  
qlL`jWJ  
MrZh09y  
AC>`'Gx  
3. 说明：平面波(参考) ]gYz 4OT  
CC#;c1t  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 Vn*tpbz  
yW$0\E6<r  
?c[*:N(  
j@YU|-\qh  
4. 说明：双线钠灯光源 yE}}c{hSn  
 GB$;n?  
$s9Vrw0Z  
 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。 dZi"$ g  
 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)。 Y.g59X!Ub2  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 Z.92y  
h }B% /U  
:xtXQza"-  
g!rQ4#4  
5. 说明：抛物反射镜 /YZr~|65  
sBr_a5QQ#  
9FB19  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 {q"OM*L(  
 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。 1oc3$A  
RhncBKm*M  
bD/~eIcWL  
7
=;R& mqC  
:]\([Q+a  
_d5QbTe  
6. 说明：闪耀光栅 9I}-[|`u  
etTn_v  
0*f)=Q'  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 U4d:] z  
 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 Qk:
Y2mL  
o,_?^'@  
e 9;~P}
  
gt@m?w(  
uG,5BV.M  
f|\onHI)>  
7. Czerny-Turner 测量原理 f&Gt|  
be.*#[  
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。 W"k"IvTW}  
y*qVc E  
D]zwl@sRX:  
h&KO<
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? m DI#~)  
8. 光栅衍射效率 ,J+}rPe"sf  
h1de[q
)  
32&;`]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。 ]n6#VTz*  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 8Vr%n2M  
 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) 3LOdjT J  
)Y"+,$$>Y`  
`sn^ysp  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd pFOx>u2`a  
5IE#\FITO|  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 Ayxkv)%:@)  
*\ R ]NV  
pM4 :#%V  
0XE4<U  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 Te"ioU?.  
"\w 7q  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 rC5 p-B%  
!>FYK}c7  
>*35C`^  
l+KY)6o  
 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)。 M:Pc,  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 ~vm%6CABM  
]cHgleHQ  
应用示例详细内容 t}r' k/[  
f6hnTbJ  
仿真&结果 |d{PA.@33  
(ZUHvvL  
1. 结果：利用光线追迹分析 lXW%FH6c+  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 gb[5&>(#  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 6m}Ev95  
y%"{I7
!A  
11Q1AN  
SW@$ci  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd (KjoSN( K  
n]._uza  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 }Y12  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 rBQ_iB_  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， s}vAS~~2L3  
.s?L^Z^  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 &*M!lxDN  
8{^kQ/]'|  
- YEZ]:"  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms *& BQTZ6  
}|h# \$w  
3. 衍射效率的评估 G|bT9f$  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 *7uH-u"5d  
rD*jp6Cl  
h0g8*HY+}  
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。 Wf+cDpK  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd .]8ZwAs=&  
hNC&T`.-~B  
4. 结果：衍射级次的重叠 h79}qU  
 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。 E>6MeO  
 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)。 P_F30x(  
 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。 is?{MJZ_  
 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) *3+4[WT0]a  
 光栅方程： ; 5*&xz  
!z\h|wU+  
"{A(x }'Y4  
yuh *  
owVX*&b{  
5. 结果：光谱分辨率 tH!]Z4}u  
2=*H 8'k  
LQ@"Xe]5  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run #|uCgdi  
LP.]9ut  
6. 结果：分辨钠的双波段 5?f ^Rz  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ^ gdaa>L  
   fW?vdYF  
/T"+KU*
 
t*p71U
4+I  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 p?02C#p  
34f?6K1c  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run +Q/R{#O  
&sl0W-;0  
7. 总结 ]=\].% >  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 GV1pn) 4  
1. 仿真 lt/1f{v[:  
以光线追迹对单色仪核校。 vx{}}/B]J  
2. 研究  CT&|QH{  
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.U| #n5  
3. 应用 %aP!hy  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 l5~os>  
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。 y5vvu>nd  
扩展阅读 &5>Kl}7  
1. 扩展阅读 EfqX y>W  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Q-(zwAaE
 
T;4NRC  
 开始视频 &j;wCvE4+  
- 光路图介绍 Q3 ea{!r  
- 参数运行介绍 |NlO7aQ>2H  
- 参数优化介绍 <;lkUU(WT2  
 其他测量系统示例： Q1Kfi8h}'  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) Xu{1".\  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ]>!K3kB