[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) e.V){}{V  
)K~nZLULY  
应用示例简述 (xL=X%6a  
mX^RSg9E}  
1.系统说明 $ cSZX#\  
2l?J9c}Wo  
 光源 @4$E.q<0  
— 平面波(单色)用作参考光源 7ZZt|bl  
— 钠灯(具有钠的双重特性) PAkW[;GSDh  
 组件 C.<4D1}P  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 UhK,H   
 探测器 cqudF=q  
— 功率 ny=iAZM>q  
— 视觉评估 sa*-B  
 建模/设计 tO7{g  
— 光线追迹：初始系统概览 E<dN=#f6  
— 几何场追迹+(GFT+)： 0i"OG( ,  
 窄带单色仪系统的仿真 dp_q:P4;B  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 .Ko`DH~!,C  
:%{7Q$Xv<  
2.系统说明 Yo:&\a K[  
M_K&x-H0  
2lRZ/xaF%P  
:Kiu*&{  
3.系统参数  >pKI'  
D$HxPfDZ  
kWFR(J&R  
z61 o6mb  
?t-2oLE  
4.建模/设计结果 |4vk@0L  
5 *_#"  
'mF}+v^  
xpz Jt2S  
总结 ^^#A9AM  
1a<~Rmcil  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ^d,d<Uc  
1. 仿真 +Q.[W`goV  
以光线追迹对单色仪核校。 A@UnrbX:  
2. 研究 pN[i%\vh  
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+}M#Y-O  
3. 应用 i&Ea@b  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 v&Kw 3!X#E  
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。 _ 0-YsD  
3?:}lY<,  
应用示例详细内容 dSbV{*B;>  
系统参数 Mtu8zm  
qcqf9g  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 A.n1|Q
#  
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。 ;I>`!|mT  
7DDot_qb  
c}A^0,"z>  
b> |oU  
2. 系统参数 9 wc=B(a|  
Hogr#Sn2  
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。 ~1p f ?  
)jg3`I@  
N}\i!YUD  
nP.d5%E  
3. 说明：平面波(参考) &A~1Q#4  
m35G;  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 I/'>Bn+  
?pFHpz  
rVLA"x 9u  
$/Mk.(3'P  
4. 说明：双线钠灯光源 CXa$QSu>  
@I%m}>4Jm  
DGcd|>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。 }+z}vb  
 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)。 q;rU}hAzG0  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 LTxOq|/Cq  
TWy1)30x  
YPN|qn(  
S5j#&i  
5. 说明：抛物反射镜 &kP>qTI^p~  
BzDS  
Q9( eH2=  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ;I9D>shkc  
 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。 *Nv<,Br,F  
17-K~ybc  
FK->|  
MD%86m{Sg=  
g%K3ah v  
t JJaIb6Xj  
6. 说明：闪耀光栅 Q~jUZ-qN  
iKu5K0x{>I  
,$*$w<  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 >scEdeM  
 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 !O*\|7A(  
Yt&^i(  
+?%huJYK,  
/MA4Er r  
nfc&.(6x<  
X"yLo8y8$  
7. Czerny-Turner 测量原理 <MoWS9s!yb  
S^3I"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。 zH.7!jeE  
a4c~ThbI  
}psJ'aiG*  
U`xjau+  
'En6h"{  
8. 光栅衍射效率 f"z96{zo  
Nx~8]h1(  
=YR/|9(  
 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。 leiP/D6s  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 O>UR\l|+:2  
 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) =^NR(:SaaU  
g^=p)h3  
>=wlS\:"  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd KATt9ox@  
Nb-;D)W;B  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ^MuO;<<,.  
~i(X{^,3  
TC'tui  
:dK/}S0  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 q* +}wP  
VGkwrS;+I  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 PC/Oo~Gx  
>osY?9  
YHl6M&*@  
4;x{@Ln  
 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)。 F8f@^LVM/  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 %+qD-{&  
6Z0@4_Y@B6  
应用示例详细内容 = 
oQ-I  
(z#qkKL{^  
仿真&结果 ^As^hY^p  
Y$shn]~  
1. 结果：利用光线追迹分析 Bi9 S1p  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 lo Oh }y+  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 YP/BX52v  
`J#(ffo-  
2/3,%5j_  
,,OO2EgZ`  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd eNR>W>;'  
 [td)v,  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 W
L:CBE#  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 2eK!<Gj  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， q{ i9VJ]  
S{&,I2aO  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 (]>=y  
B|zJrz0q3  
)%I2#Q"Nt-  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 1YL6:5n  
!RN(/ &%y  
3. 衍射效率的评估 FWNWOU  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 {1Z8cV  
UiO%y  
Cz` !j  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 Bvb.N$G  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd Yi1lvB?m  
c 2t<WRG  
4. 结果：衍射级次的重叠 Iy%
fg',%  
 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。 yY+)IU.  
 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)。 -{n2^vvF  
 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。 ',$Uw|N  
 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) $dIu${lu  
 光栅方程： &
@NTedg!  
V(u#8M  
VC$,Y  
hH_&42E6  
kK\G+{z?  
5. 结果：光谱分辨率 6aRPm%  
TrD2:N}dI  
Myaj81  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run M$iDaEu-  
2O;Lw@W  
6. 结果：分辨钠的双波段 (xxNQ] l-(  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 RvrZtg5  
   O|wu;1pQ  
O<}3\O )G(  
5G  @  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ^C$Oht,cU  
t+y$i@R:  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 4j+FDc`  
M uz+j.0  
7. 总结 q=Xda0c  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 YD>5zV%!D  
1. 仿真 NX.%Rj*  
以光线追迹对单色仪核校。 {<$ D|<S  
2. 研究 Lxz!>JO>  
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。 K=lm9K  
3. 应用 tf<}%4G  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性
V;}kgWc1  
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。 }Rl^7h<!  
扩展阅读 Q5Yy \M  
1. 扩展阅读 [=/Yo1:v  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 q+<<Ku(20  
F3uR:)4<M  
 开始视频 Qg9*mlm`  
- 光路图介绍 o9GtS$O\  
- 参数运行介绍 EY+/ foP  
- 参数优化介绍 Z/ w}so  
 其他测量系统示例： f[r?J/;P9  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ;zq3>
A  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) iB-h3/