[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) |NU0tct^  
x"8ey|
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应用示例简述 UB$`;'|i  
3rdfg  
1.系统说明 p$nK@t}  
2-V)>98  
 光源 ~y
2)&x  
— 平面波(单色)用作参考光源 ]rg+nc3  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 6#)Jl  
 组件 MpA;cw]cI/  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 cvUut^CdK  
 探测器 N 2"3~  #  
— 功率 I\upnEKKzZ  
— 视觉评估 \`/E !ub  
 建模/设计 T5azYdzJy  
— 光线追迹：初始系统概览 "P'&+dH8  
— 几何场追迹+(GFT+)：
%x6Ov\s2  
 窄带单色仪系统的仿真 %md^S |  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ZjZhz`  
'dc+M9u)_q  
2.系统说明 hOB\n!  
\$'m^tVU  
bqrJP3  
R6Zj=l[  
3.系统参数 3_MS'&M  
(.,'}+1  
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Aw4?y[{H  
< m enABN4  
4.建模/设计结果 TH>?Gi)"  
MkDK/K$s  
qB F!b0lr  
I/HV;g:#  
总结 yQZ/,KX  
r]8x;v1  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 b0YiQjS6>  
1. 仿真 3e%l8@R@  
以光线追迹对单色仪核校。 Or+*q91j  
2. 研究 (/U)>%n  
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。 q9^Y?`  
3. 应用 LZr0]g{Pu/  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 %o@['9U[j  
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。 UZje>.~?  
/
o~qC<7  
应用示例详细内容 Q1`<fD  
系统参数 .?rbny  
zb;(?!Bd#  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 y9C;T(oi;  
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。 rGnI(m.  
VYamskK[G:  
)sW6iR&_i  
M3Khc#5S(  
2. 系统参数 DS:>/m>)  
k0|`y U  
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。 7fju  
Zc'|!pT _  
VG_uxKY  
-)1-~7 r  
3. 说明：平面波(参考) gA~20LSt  
wMb)6YZs  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ,VNi_.W0  
TGU:(J'^  
5Vp;dc  
Ap5}5 ewM  
4. 说明：双线钠灯光源 kSbO[)p  
vBh;  
;V_.[aX  
 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。 f64(a\Rw!^  
 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)。 z`k El@  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 pheE^jUr  
F9(._ow[  
C:`;d&d  
>~I#JQ%  
5. 说明：抛物反射镜 Rn`ld@=p[  
*cbeyB{E  
)~ 0}Et l  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 z]kwRWe`j  
 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。 #6Jc}g<?g  
XJqTmj3   
g;pR^D'M5C  
`79[+0hL'  
lT8#bA  
?4XnEDAm  
6. 说明：闪耀光栅 2w+U$6e C  
qG<7hr@x]  
9\HR60V  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 ^+ZgWS^
%  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 _
7U]&Nh99  
/;?M?o"H  
NXpmT4  
w OI^Q~  
`@[l\.Vt:  
Nln`fE/Ht  
7. Czerny-Turner 测量原理 ~9GOk;{~&  
s~*}0-lS  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 zuSq+pxL@  
4({(i  
AS)UJ/lC  
x
H-X|N  
07V8;A<,  
8. 光栅衍射效率 \v+u;6cx_  
A{# Nwd>  
k1)%.pt%  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 EIjI!0j  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 zN#*G i'  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) h.)h@$d  
v2Bzx/F:  
]hA,LY f  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 98RKCc9h  
pY@Y?Jj  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 q2hFOm  
-w1@!Sdd  
mpgOs  
$&{ti.l  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ]mQw,S)/"  
.%}?b~   
10. Czerny-Turner 系统的3D视图  ~*M$O&  
?+~cA^-3T  
|
?d#eQ9a  
KzjC/1sd  
 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)。 .Obn&S  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 `0ZZ/] !L  
O:'?n8rWL  
应用示例详细内容 Xd<t5{bD!  
7Y
m(n8  
仿真&结果 g:7,~}_}^  
6sJw@OaJ  
1. 结果：利用光线追迹分析 ~gE:-  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ~ Vw9  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 ?WUF!Jk  
PRkSQ4  
|F[=b'?  
lx |5?P  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd r@U3sO#N  
J@_ctGv  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 .pPm~2]z  
 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)。 /J3ZL[o?Q  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， Aw5pd7qKL  
R'}95S<  
 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。 qJPT%r  
yF13Of^l./  
tz^/J=)"  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms S0d~.ah30  
d>0+A)6>  
3. 衍射效率的评估 M;w?[yEZ  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 HOoPrB m  
OFk8>"|  
'sh~,+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。 h.eM RdlO  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd yWDTjY/  
6at1bQ$  
4. 结果：衍射级次的重叠 ^EELaG  
 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。 '3 33Ctxy  
 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)。 =<}<Ny  
 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。 Fmyj*)J[Z  
 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) A#8q2n270*  
 光栅方程： [AU II*:}  
NVKC'==0  
}t9.N`xu  
L<
^j"!0  
^y!;xc$(Qs  
5. 结果：光谱分辨率 *N'K/36;  
;0rGiWC#  
T9W`?A  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run =GlVccc  
Byl^?5  
6. 结果：分辨钠的双波段 !Ucjax~  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 54lu2gD'  
   U>Ld~cw  
o+w;PP)+=  
M<O{O}t<  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 /1N6X.Zb  
b-ll  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run zGKyN@o  
"@R>J?Cc+  
7. 总结
sUZX }  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 @"
a6fn  
1. 仿真 T>TWU:  
以光线追迹对单色仪核校。 PZxAH9 S?  
2. 研究 >r`b_K  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 ~5Pb&+<$  
3. 应用 U,#yqER'r  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 j/=iMq  
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。 dr)YzOvba  
扩展阅读 T|J9cgtS  
1. 扩展阅读 *B`Zq)
  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。
NBl+_/2'w  
Q!- 0xlx  
 开始视频 v+p{|X-  
- 光路图介绍 |4$M]Mf0  
- 参数运行介绍 H]Hv;fcC  
- 参数优化介绍 !!@A8~H  
 其他测量系统示例： ah
x>q  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) mxor1P#|  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) !cKz7?w