測量系統(MSY.0003 v1.1)

 

應用示例簡述

 

1.系統說明

 

?光源

—平面波(單色)用作參考光源

—鈉燈(具有鈉的雙重特性)

?組件

—光闌(狹縫)，拋物面反射鏡，閃耀光柵

?探測器

—功率

—視覺評估

?建模/設計

—光線追跡：初始系統概覽

—幾何場追跡+(GFT+)：

?窄帶單色儀系統的仿真

?為分辨特定光譜曲線進行整個光譜的高分辨率分析

 

2.系統說明

 

3.系統參數

 

 

4.建模/設計結果

 

 

總結

 

模擬并分析了Czerny-Turner單色儀及并將其用于光譜研究中。

1.仿真

以光線追跡對單色儀核校。

2.研究

應用經典場追跡和幾何場追跡+引擎對系統的性能進行研究。系統分析中包括采用傅里葉模態法進行光柵效率的嚴格分析。

3.應用

應用真實的Czerny-Turner單色儀分辨了鈉燈的雙波長特性

可以通過使用VirtualLab對復雜的光譜系統,比如Czerny-Turner進行詳盡的研究。 

 

應用示例詳細內容

系統參數

 

1.仿真任務：Czerny-Turner干涉儀

Czerny-Turner干涉儀是一種廣泛用于光和樣本的光譜研究。主要由兩個球面或拋物面反射鏡、兩個光闌以及一個作為分光元件的光柵組成。

 

2.系統參數

 

元件在1m范圍內的距離與非常窄的入瞳孔徑進行結合以確保單色儀/光譜儀的高光譜分辨率。

 

3.說明：平面波(參考)

?采用單色平面光源用于計算和測試。

 

4.說明：雙線鈉燈光源

?為了增強光譜儀的光譜分辨率，對鈉燈的雙波長特性進行研究。

?雙波長通過旋轉軌道的相互作用分離，表現為具有515GHz頻率差異(波長差為0.6nm)。

?由于低氣壓燈的擴展發射區域，鈉燈可視為平面波。

 

5.說明：拋物反射鏡

?利用拋物面反射鏡以避免球差。

?出于此目的，在VirtualLab庫目錄中選擇離軸拋物面反射鏡(楔形)組件。

 

6.說明：閃耀光柵

?采用衍射元件用于分離所研究光源的光譜波長。

?通過使用閃耀光柵，可以對期望衍射級次的衍射效率進行優化

 

7.Czerny-Turner 測量原理

 

通過光柵傾斜角的變化，入瞳的像可經過探測器孔徑進行掃描。探測器可以評估光入射的能量。

 

 

8.光柵衍射效率

?VirtualLab的光柵組件可通過傅里葉模態法(FMM)對衍射級次進行嚴格的計算。

?因此，每一個波長的效率可視為獨立的。

?3個不同波長的不用的衍射效率的歸一化強度：(可被測量系統的計算視為如此)

 

file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd

 

9.Czerny-Turner系統的光路圖設置

 

?由于VirtualLab的相對位置系統，只設置了沿Z軸方向的距離。

 

10.Czerny-Turner 系統的3D視圖

 

?增大平面波光源和孔徑的距離僅是為了更清晰的顯示3D視圖(可在光路編輯器中實現)。

?不僅如此，距離減到0.1倍是為了提高視圖的可觀察性。

 

應用示例詳細內容

 

仿真&結果

 

1.結果：利用光線追跡分析

?首先，利用光線追跡分析光在光學系統中的傳播。

?對于該分析，采用內嵌的光線追跡系統分析器。

 

file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 

 

2.結果：通過虛擬屏的掃描

?通過將光柵傾斜合適的角度以選擇被探測的波長 (可通過光柵方程計算該角度)。

?采用VirtualLab中的參數耦合功能連接波長和光柵的傾斜角度，

?通過該功能給定波長，可以自動設置合適的傾斜角。因此，如為了仿真全譜段，參數運行必須指定波長。

animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms

 

3.衍射效率的評估

為選擇合適的仿真引擎，必須考慮孔徑衍射效應的影響。

比較經典場追跡和幾何場追跡+可知，由于兩者的差別較小，可忽略衍射效應。采用更快速的GFT+引擎用于后續研究。

file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd

 

4.結果：衍射級次的重疊

?因為光柵用于分離多譜段(如可見光)，所以不同衍射級次可能發生重疊。

?VirtualLab的光柵組件可以計算所有期望的衍射級次(包括利用傅里葉模態法計算衍射效率)。

?0級衍射并不分散，但2級衍射相對于1級衍射表現出較大的發散角。

?通過光柵參數和光柵方程的計算可發現重疊為760nm(1級)和380nm(2級)

?光柵方程：

 

 

 

5.結果：光譜分辨率

file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run

 

6.結果：分辨鈉的雙波段

?應用所建立單色儀分辨鈉的雙波段特性。

? 

 

設置的光譜儀可以分辨雙波長。

 

file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run

 

7.總結

模擬并分析了Czerny-Turner單色儀及并將其用于光譜研究中。

1.仿真

以光線追跡對單色儀核校。

2.研究

應用經典場追跡和幾何場追跡+引擎對系統的性能進行研究。系統分析中包括采用傅里葉模態法進行光柵效率的嚴格分析。

3.應用

應用真實的Czerny-Turner單色儀分辨了鈉燈的雙波長特性

可以通過使用VirtualLab對復雜的光譜系統,比如Czerny-Turner進行詳盡的研究。 

擴展閱讀

1.擴展閱讀

以下文件給出了在VirtualLab中如何設置測量系統的更多細節。

 

?開始視頻

-光路圖介紹

-參數運行介紹

-參數優化介紹

?其他測量系統示例：

-馬赫澤德干涉儀(MSY.0001)

-邁克爾遜干涉儀(MSY.0002)