[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) <5=^s%H  
.|!Kv+yD  
应用示例简述 8^kw  
PyK)ks!6  
1.系统说明 ?8pRRzV$  
J#MUtpPdQ  
 光源 Oo$i,|$$  
— 平面波(单色)用作参考光源 G{)2f&<  
— 钠灯(具有钠的双重特性) !?,rcgi  
 组件 "OkJPu2!W  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 rQCj^=cf;~  
 探测器 }
qxwNmx  
— 功率 CnN PziB  
— 视觉评估 n{aD4&  
 建模/设计 Tw8$6KUW  
— 光线追迹：初始系统概览 z`XX[9$qm  
— 几何场追迹+(GFT+)： Rjt]^gb!*  
 窄带单色仪系统的仿真 Y$ZZ0m  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 wMr*D['" #  
&Yb!j  
2.系统说明 }Dp/K4  
zr2oU '+  
M] 7#  
G?*)0`~W  
3.系统参数 ,:;ZzHzR0  
g{RVxGE7  
@X5F$=aqZr  
0.!_k )tu  
zb.dVK`7N-  
4.建模/设计结果 vL}e1V:  
>8PGyc*9  
\xR1|M  
k^K>*mcJ  
总结 XcLjUz?  
5o2w)<d!  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 b@`h]]~:  
1. 仿真 [7_
1GSS1  
以光线追迹对单色仪核校。 c&X2k\  
2. 研究 ozB2L\D7  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 8#L V oR  
3. 应用 ZW7z[,tk<.  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ~>SqJ&-moo  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 qjDt6B^RO  
stQRl_('  
应用示例详细内容 Kjzo>fIC{  
系统参数 =S#9\W&6Q  
|kGj}v3  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 O3 NI  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 , Ox$W  
}JI
@f14  
H< 51dJn~  
%[B^b)2  
2. 系统参数 Gu@n1/m@o  
Sq:,6bcG  
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。 z*k(` '  
?&Ug"$v  
TsVU
^Z%W  
u'`eCrKT*  
3. 说明：平面波(参考) l$Y*ii  
p?-qlPl  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 _TntZv.?  
zCji]:  
N2 4J!L  
R`KlG/Tk  
4. 说明：双线钠灯光源 L _D#  
uo9FLm  
 Z2a~1BL  
 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。 /#}o19(-d  
 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)。 @B\$ me  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 {'cm;V+  
<c3Te$.  
7K5 tBUNQ  
4ibOVBG:*,  
5. 说明：抛物反射镜 CFXr=.yz  
;&c9!LfP  
Y6G`p  
 利用抛物面反射镜以避免球差。
I >aKa  
 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。 Q@ua G,6  
twMDEw#VL  
`l2h65\  
nD.K*#u  
go9tvK  

!mH !W5&  
6. 说明：闪耀光栅 gz#2}  
[nA1WFfM  
1R,SA:L$  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 nT :n>ja  
 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 0oQJ}8t  
[2{2w68D!  
TXT!Ae  
I= 2jQ>$Q  
lk*wM?Z  
s~06%QEG  
7. Czerny-Turner 测量原理 K;7ea47m N  
i&KBMx   
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 Dy&{PeE!  
~6=aoF5"3?  
;Wg
kf_3  
& LhQr-g  
0YZ66VN!  
8. 光栅衍射效率 J@A^k1B  
"[ieOFI  
^+w1:C5  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 (3WK2IM^  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 h<G7ocu!  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) Lb#PiTJI  
.Zc:$"gDu  
OP|X-  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd y[ZVi5) ,  
MxOIe|=&  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 <m/XGFc  
VIaj])m  
Z.`0  
):\+%v^  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 t>P[Yld"  
O03F@v  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 d*x&Uh[K  
YJ+l \Wb}  
0a9[}g1=#  
CF6qEG6  
 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)。 FqZD'Uu7  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 >>c%Ic  
Pv|sPIIB7  
应用示例详细内容 JkI|Ojmm/  
`#:(F z  
仿真&结果 )-m/(-  
J| 1!4R~  
1. 结果：利用光线追迹分析 NtmmPJ|5  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 `_sKR,LhB  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 cqaq~  
)X3 |[4R  
8_Z"@  
U] P{~
 
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd i|0!yID0@  
vuZ'Wo:S{  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 L#WGOl  
 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)。
~R\ $Z  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， \O]kf>nC  
ixL[(*V  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 J\FLIw4  
dGUiMix{N  
--k!KrL  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms *to#ZMR;!  
C)~%(< D  
3. 衍射效率的评估 s)Xz}QPK.  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 /z(d!0_q|v  
a]J>2A@-I  
5~$WSL?O)  
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。 ~i.rk#{?D  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ;I6C`N  
lR/Uboyy  
4. 结果：衍射级次的重叠 RU~Pa+H  
 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。 3v&Shb?xb;  
 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)。 xVrLoAw  
 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。 W)^%/lAh  
 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) efuiFN;  
 光栅方程： |[p]])
o  
{{)pb>E  
[ {HTGz@(  
T+S\
'f\  
]bbP_n8  
5. 结果：光谱分辨率 )`S5>[6  
<<V"4 C2  
^F-2tc  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run (,|eE)+  
[x- 9m\h  
6. 结果：分辨钠的双波段 \=$G94%  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ItVVI"-  
   'Hgk$Im+  
\tA
@A  
VA`VDUG,  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 "yl6WG#J  
CtUAbR  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run Nfv` )n@  
I}|E_U1Qj  
7. 总结 Iu(]i?Y  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 i2-]Xl  
1. 仿真 Q(R-8"  
以光线追迹对单色仪核校。 :fUNc^\2  
2. 研究 EWXv3N2)  
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。 =`2jnvx  
3. 应用 b2RW
=m-  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性
||fCY+x*8  
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。 q"WfKz!U  
扩展阅读 'Tskx  
1. 扩展阅读 N7GZ'-t^Er  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 AG#Mj(az!  
QWWI  
 开始视频 ma/<#l^}  
- 光路图介绍 R?dMM  
- 参数运行介绍 "*S_wN%  
- 参数优化介绍 7W+{U02O  
 其他测量系统示例： X_)I"`  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) fp`m>} -  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Pj*]%V