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    [技术]Czerny-Turner单色仪&光谱仪的仿真 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2021-11-16
    测量系统(MSY.0003 v1.1) n v ?u  
    $ba*=/{[q  
    应用示例简述 v =_Ds<6n  
     (kVxa8 0  
    1.系统说明 yRivf.wH  
     mwMcAUD]2  
    光源 I.gF38Mx  
    — 平面波(单色)用作参考光源 2"QcjFW%  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) Ou_2UT  
     组件 (sW$2a  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 7/HX!y{WP  
     探测器 8]i7 wq#=  
    — 功率 M_O)w^ '  
    — 视觉评估 $WiU oS  
     建模/设计 )+Yu7=S  
    — 光线追迹：初始系统概览 9T\\hM)k  
    — 几何场追迹+(GFT+)： 4nXemU=  
     窄带单色仪系统的仿真 lot;d3}  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 y5j ;Daq  
    Gs>4/  
    2.系统说明 v"*c\,  
    Elt" tJ  
     dG!)<  
    RNopx3  
    3.系统参数 Us\Nmso z  
    _ mgu r  
     uvRX{q 4  
    k/M{2Po+  
    kZ0z]Y  
    4.建模/设计结果 y\n#`*5k  
     DFb hy  
    Ri3*au/Q  
     \D-X _.v  
    总结 q#F+^)DD [  
     v=daafO  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 zhe~kI  
    1. 仿真 xJin %:O  
    以光线追迹对单色仪核校。 /vPr^Wv  
    2. 研究 R1Fcd@DWD  
    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。 NOFH  
    3. 应用 Q$5%9  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ] I5&'#%2  
    可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 z%nplG'~|  
     LlD=c  
    应用示例详细内容 K."W/A!  
    系统参数 Z?qc4Cg  
     y"iK)SH  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 <.{OIIuk  
    Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 7HJH9@8V  
    s~A:*2\  
     DG,m;vg+  
    BnG{) \s  
    2. 系统参数 V"T5<HA9  
     [xXV5 JU  
    元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 !{!(yP_  
    _`Dz%(c  
     yQq|!'MKk  
    CQA^"Ll  
    3. 说明：平面波(参考) \Hu?K\SWs  
    D7Ds*X`!l  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 !>fi3#Fi  
    16"L;r  
     [4-u{Tu  
    Gb.}af#v  
    4. 说明：双线钠灯光源 wsj5;(f+  
    +D?Re%HI  
    KcM+ 8W\  
     为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 SJlL!<i$  
     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)。 1]aya(  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 0L \vi  
    $gdGII&n  
     N::.o+1  
    ||;a#FZ^  
    5. 说明：抛物反射镜 JY9hD;`6y  
    ,UfB{BW  
    R+Rb[,m  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 zc1~ q  
     出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 ze`qf%  
    XeXK~  
     W|6.gN]  
    UO' X"`  
     +}C M2>M  
    mnH1-}oL  
    6. 说明：闪耀光栅 C7!=LiK}  
    Yt;@ @xe&  
    _m1WY7  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 9!wm`'G8  
     通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 30h1)nQ$h}  
    ;{rl Y>  
    {ZgycMS  
    NmV][0(BS  
     `(L<Q%  
    L/:u  
    7. Czerny-Turner 测量原理 !Op18hP$  
     L\^H#:?t  
    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:  
    Ay\!ohIS3  
     fQ,(,^!;  
    "Oy&6rrr  
    RH<C:!F^  
    8. 光栅衍射效率 :w4I+* ]  
    JmVha!<qk  
    wq3V&@.  
     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。 @_Ly^' "  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 4?e7s.9N  
     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) Vt U  
     ?T:$:IHw  
    rVx?Yo1F'  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd *!+?%e{;b  
    _xXDvBU  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 %i`YJ  
    ^ P=CoLFa  
     LL=nMoS  
    ACxjY2  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 R P6R1iN3  
    610hw376B  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 GGn/J&k  
    qbdv  
     VUGVIy.  
    Yim`3>#t  
     增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 K\>CXa  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 h3:dO|Z  
    ^7% KS  
    应用示例详细内容 |/AY!Y3  
     9S[Tan|  
    仿真&结果 =9vmRh? 8  
     xo*[ g`N  
    1. 结果：利用光线追迹分析 iG;GAw|E  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 EYF]&+ 9  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Qws#v}xF  
    r`(U3EgP  
     +']S  
    R?[KK<sWWe  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd nLjo3yvV..  
     lGP'OY"Q  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 &za~=+  
     通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 ZX!u\O|w  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， Sud5F4S  
    l~Sn`%PgA  
     通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 U0W- X9>y  
    /.aDQ>  
     JMq00_  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms O~AOZ^a:2  
     p#dpDjh  
    3. 衍射效率的评估 o$DJL11E  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 i bwnK?ZA  
    j/xL+Y(=  
     !]k$a  
    比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 )v67wn*1A  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd K) "cwk-  
     5:H9B  
    4. 结果：衍射级次的重叠 r:Xui-  
     因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 TBYRY)~f  
     VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 U8(Rye$  
     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。 If_S_A c  
     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) >2l;KVm%  
     光栅方程： Y@Kp'+t(!  
     bu#}`/\_  
    -3<5,Q{G+  
    }]H_|V*f  
    <99Xg_e  
    5. 结果：光谱分辨率 j5:{H4?  
    q e:,%a-9  
     \5_7!.  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ymBevL  
     QpPJ99B|  
    6. 结果：分辨钠的双波段 mu/O\'5  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 [EJ[Gg0m  
       j9za)G-J  
    *_z5Pa`A  
     cFoDR  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 >]k'3|vV  
    '%`W y@  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run !#nlWX :~  
    :sBg+MS  
    7. 总结 E VBB:*q6  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。  wNW9xmS  
    1. 仿真 i(JBBE"  
    以光线追迹对单色仪核校。 z2&SZ.mk  
    2. 研究 XX,iT~+-  
    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。 cRX0i;zag  
    3. 应用 z1ltc{~Z  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 pCNihZ~  
    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。 )dJaF#6j  
    扩展阅读 vvLm9Tw  
    1. 扩展阅读 hp}J_/+4n  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 '@u/] ra:  
    tqE LF  
     开始视频 1@kPl[`p'  
    - 光路图介绍 >yn%.Uoh@  
    - 参数运行介绍 |Q^Z I  
    - 参数优化介绍 $LZf&q:\]*  
     其他测量系统示例： ]+W+8)f 1M  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) pAYH"Q6~)I  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) $Tt@Xu  
     
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