VirtualLab运用：Czerny-Turner单色仪&光谱仪的仿真

测量系统(MSY.0003 v1.1)

 

应用示例简述

 

1.系统说明

 

光源

—平面波(单色)用作参考光源

—钠灯(具有钠的双重特性)

组件

—光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅

探测器

—功率

—视觉评估

建模/设计

—光线追迹：初始系统概览

—几何场追迹+(GFT+)：

窄带单色仪系统的仿真

为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析

 

2.系统说明

 

3.系统参数

 

 

4.建模/设计结果

 

 

总结

 

模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。

1.仿真

以光线追迹对单色仪核校。

2.研究

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。

3.应用

应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性

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。 

 

应用示例详细内容

系统参数

 

1.仿真任务：Czerny-Turner干涉仪

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。

 

2.系统参数

 

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。

 

3.说明：平面波(参考)

采用单色平面光源用于计算和测试。

 

4.说明：双线钠灯光源

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。

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)。

由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。

 

5.说明：抛物反射镜

利用抛物面反射镜以避免球差。

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。

 

6.说明：闪耀光栅

采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。

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

 

7.Czerny-Turner 测量原理

 

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。

 

 

8.光栅衍射效率

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。

因此，每一个波长的效率可视为独立的。

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)

 

file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd

 

9.Czerny-Turner系统的光路图设置

 

由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。

 

10.Czerny-Turner 系统的3D视图

 

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)。

不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。

 

应用示例详细内容

 

仿真&结果

 

1.结果：利用光线追迹分析

首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。

对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。

 

file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 

 

2.结果：通过虚拟屏的扫描

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)。

采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度，

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。

animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms

 

3.衍射效率的评估

为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。

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。

file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd

 

4.结果：衍射级次的重叠

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。

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)。

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。

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)

光栅方程：

 

 

 

5.结果：光谱分辨率

file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run

 

6.结果：分辨钠的双波段

应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。

 

 

设置的光谱仪可以分辨双波长。

 

file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run

 

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。

1.仿真

以光线追迹对单色仪核校。

2.研究

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。

3.应用

应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性

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。 

扩展阅读

1.扩展阅读

以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。

 

开始视频

-光路图介绍

-参数运行介绍

-参数优化介绍

其他测量系统示例：

-马赫泽德干涉仪(MSY.0001)

-迈克尔逊干涉仪(MSY.0002)