[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) FwXKRZa  
qbEKp HnB  
应用示例简述 z~BD(FDI  

| A3U@>6  
1.系统说明 $Z,i|K;  

||yXp2  
 光源 A<mj8qz  
— 平面波(单色)用作参考光源 txj wZ_p  
— 钠灯(具有钠的双重特性) hyJ ded&D  
 组件 W\&WS"=~  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 dVPq%[J
2  
 探测器  CEbzJ  
— 功率 umZlIH[7  
— 视觉评估 ?@
3#c  
 建模/设计 @c6"RHG9  
— 光线追迹：初始系统概览 fEHh]%GT`  
— 几何场追迹+(GFT+)： z\e>DdS  
 窄带单色仪系统的仿真 +8Of-ZUx  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 IRlN++I!  
1P(%9
 
2.系统说明 \d `dV0X  
jK\V|5k  
17WNJ  
dNOX&$/=  
3.系统参数 I~d#p ]>  
Ko1AaX(I'+  
 KYnW7|*  
kyy0&L  
[SCw<<l<  
4.建模/设计结果 _L?v6MTj  
C<r(-qO{5  
`%FIgE^  
%T`4!:vy  
总结 >W>##vK  
0$n8b/%.  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 cYZwWMzp  
1. 仿真 !T<z'zZU  
以光线追迹对单色仪核校。 +L^A:}L(  
2. 研究 pi^^L@@d  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 R2Twm!1  
3. 应用 `V]egdO  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 >&$
$(Bp  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 Ul'~opf  
S1D9AcK  
应用示例详细内容 9 eSN+q  
系统参数 4(` 2#  
w^ixMn~nLF  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ArNur~  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 iifc;62  
Z
_iAn TT  
0MwG}|RC  
03X<x|  
2. 系统参数 M[:O(  
SRA|7g}7W  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 c*y$bf<  
YWt"|  
Jo6~r-  
q`/amI0  
3. 说明：平面波(参考) Ft3N#!ubl  
tb-OKZq  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 Q3B'-BZe  
N oX_?  
?RgU6/2  
Z]mM  
4. 说明：双线钠灯光源 N&0uXrw  
jOoIF/So  
,omp F$%  
 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。 g5kYyE  
 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)。 MZUF! B  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 d8Q_6(Ar|  
$\YLmG  
;4-pupK~%  
AmT|%j&3  
5. 说明：抛物反射镜 W (=Wg|cr  
6e$sA (a=i  
uPv;y!Lsa@  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 3bg4#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。 'k-u9  
!wLH&X$XT  
mV:RmA  
jV,(P$ 5;  
<FUqD0sQ  
9A/Kn]s(jj  
6. 说明：闪耀光栅 f>\bUmk(  
%!ER@&1f&  
5{R#h :  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Se^/V
Vm  
 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 :/yr(V{  
$L<_uqSk  
C>w9 {h  
X]JpS  
AhbT/  
0p:ClM2O  
7. Czerny-Turner 测量原理 j,|1y5f  
in=k:j,U0  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 E&iWtwkz  
(PsSE:r}+  
eB<V%,%N#  
o-Q]Dk1W  
\pewbu5^  
8. 光栅衍射效率 rB.=f[aX[  
9Th32}H  
}Ll3AR7\  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 Z!*8JaMT  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 4PO%qO  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) e~t}z_>F  
}QWT
PRn  
hdsgOu  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd ,IT)zCpaBP  
LRCS)UBY(.  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 uJIRk$  
zCGmn& *M  

wQdW lon  
U2[3S\@  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。  0'V-  
PBAz`y2  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 N
DIc?kj~  
,rH)}C<Q+  
+/@ZnE9s  
/8$1[[[  
 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)。 r_g\_y7ua  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 I*vj26qvg  
<D;H}ef  
应用示例详细内容 CYFas:rPLT  
Kc9mI>uH  
仿真&结果 9?}rpA`P  
*0&i'0>  
1. 结果：利用光线追迹分析 #)PGQ)(  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 t5X^(@q4N  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 ^+-L;XkeY  
J++sTQ(!?  
}<\65 B$1  
,syA()  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd /ie3H,2  
y1\^v_.^  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 cP#]n)<  
 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)。 pZ_FVID  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， OuBMVn  
2,XqslB)  
 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。 7u`}t83a  
'#4mDz~  
P2 K>|r  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms zFdz]z3  
,],JI|Rl8c  
3. 衍射效率的评估 /H;kYx  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 @8<uAu%  
e\ l,gQP  
VI|DMx   
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。 2p3u6\y  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd i3kI2\bd/  
<E}]t,'3  
4. 结果：衍射级次的重叠 Y^jnlS)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。 DO-K  
 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)。 !iitx U  
 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。 R 6yvpH  
 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) [>J~M!yu:r  
 光栅方程： bhm~Ii
 
ANpY qV  
3Ibt'$dK  
K_lL\  
GaK_9Eg-2  
5. 结果：光谱分辨率 %`\3V {2*  
<C.$Db&9  
;DgX"Uzm  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run P!6e  
R:IS4AaS  
6. 结果：分辨钠的双波段 G4exk5  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ! ^*;c#  
   kJ<Xq   
NX{-D}1X=  
HH~  du  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 (+Kof  
^a#&wW  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run jQ\ MB  
8.Own=G?  
7. 总结 ^1Zq0  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 p:Ld)U*  
1. 仿真 E5[]eg~w%{  
以光线追迹对单色仪核校。 RAuAIiQ  
2. 研究 ZLio8  
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。 zm3MOH^a  
3. 应用 #2vG_B<M)  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 GwpBDMk  
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(PT'z  
扩展阅读 K"6+X|yxE  
1. 扩展阅读 h,6S$,UI  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 }Ka.bZS  
x<y[na  
 开始视频 /2\=sTd  
- 光路图介绍 KjfKo;T  
- 参数运行介绍 w4MMo  
- 参数优化介绍 J
!
fc)h
 
 其他测量系统示例： ; 7v7V  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) rIWN!@.J  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) *DI:MBJY