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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) P6@(nGgK<  
    "/g/Lc  
    应用示例简述 SCZtHEl9  
     qE!.C}L +  
    1.系统说明 d%8hWlffz  
     Jwgd9a5  
    光源 } U\n:@:2B  
    — 平面波(单色)用作参考光源 #[ipJ %  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) Dz3=ksXZ  
     组件 IXc"gO  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 J{` G=  
     探测器 ^U)xQD"  
    — 功率 EA) K"C  
    — 视觉评估 h0_od/D1r  
     建模/设计 2guWWFS  
    — 光线追迹：初始系统概览 !hdOH3h=  
    — 几何场追迹+(GFT+)： kLtm_  
     窄带单色仪系统的仿真 -C1,$mkj  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 P;G Rk6  
    8A}cxk  
    2.系统说明 gn4+$f~w  
    *.qm+#8W  
     ?%K7IJ%  
    9=YX9nP  
    3.系统参数 DPqk~KCM  
    RE 6d&#N  
     rY yB"|  
    ,aq0Q<}~lc  
    mqUn3F3  
    4.建模/设计结果 -!4Mmp"2@u  
     :rR)rj'  
    0&wbGbg(W  
     vM5yiHI(jb  
    总结 }JPLhr|d^  
     $z[FL=h)?+  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 p^J=*jm)x  
    1. 仿真 #s% _ L  
    以光线追迹对单色仪核校。 Fp=O:]  
    2. 研究 0Ez(;4]3  
    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。 ZMa@/\pf1  
    3. 应用 >x'R7z23  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 }3HN $Fwo  
    可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 lW6$v* s9  
     P]cC2L@Vbi  
    应用示例详细内容 f(SK[+aqW  
    系统参数 oyC5M+shP9  
     !DU4iq_.  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 skeH~-`M@  
    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。 I) ]"`2w2w  
    |[./jg"  
     @'IRh9  
    h[*:\P`  
    2. 系统参数 r{g8CIwGQ  
     + PAb+E|,  
    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。 [[FDt[ l4  
    Ar{7H)V:  
     <dd XvUCX  
    H;w8[ImK  
    3. 说明：平面波(参考) G1tua"Px  
    H"5=z7w  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 -}x( MZ  
    Lqa|9|!  
     U,Q  
    K&'Vd@  
    4. 说明：双线钠灯光源 x u<oQBt  
    |X47&Y  
    v{r,Wy3  
     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。 0]k-0#JM  
     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)。 BZP{{  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 $ VTk0J-W  
    JfLoGl;p m  
     .(g"(fgF  
    >S}^0vNZX  
    5. 说明：抛物反射镜 IoKN.#;^  
     Q'~3Ik  
    *N65B#  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 WJU[+|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。 ^!A@:}t>  
    %LjhK,'h  
    qxbGUyH==  
    +wIv|zj9  
     L)"E_  
    ]5a,%*f+  
    6. 说明：闪耀光栅 AGGNJ4m  
    RLNto5?  
    n?mV(?N  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 +/ U6p!  
     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 Jp 7m$D%  
    ~5:-;ZbZ  
    hqc)Ydg_%  
    b wqd` C  
     ]k)h<)nY  
    #-7w |  
    7. Czerny-Turner 测量原理 Y^2]*e%  
     Z/oP?2/Afh  
    通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 ana?;NvC  
    I><sK-3  
     m {?uR.O  
    (5h+b_eB  
    A(1d q  
    8. 光栅衍射效率 pxV@fH+`  
    =z4kK_?F,  
    d>hLnz1O  
     VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 ^oXLk&d  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 PzH#tG&.j  
     3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) lG R6S  
     BvqypLI  
    s#>``E!  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd + 0 |d2_]E  
    eb=#{  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 8m*uT< 5D  
    !b{7gUjyI  
     ss'`[QhR2  
    l'FNp  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ;oivG)hJl  
    XAb-K?)   
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 !8}x6  
    hZ~ \Z S7  
     k|; [)gE  
    Rd:wMy$  
     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)。 859ID8F  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 '[`pU>9  
    'eg;)e:`b+  
    应用示例详细内容 L9^h .Y7  
     aqoxj[V^3L  
    仿真&结果 "!z9UiA  
     Hq."_i{I  
    1. 结果：利用光线追迹分析 0=I:VGC3  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 vI0::ah/  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 n+H);Dg<8  
    W?2Z31;7  
     jQi)pVT^  
    :FWo,fq?:{  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd zOT(>1'  
     69JC!du  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 X%]m^[6  
     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)。 0k 6S`e9gI  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， v6*8CQ+  
    X.FFBKjf[e  
     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。 !fK9YW(Im  
    cRS2v--\-  
     3!2TE-  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms [fl^1!3{  
     U9%#(T$  
    3. 衍射效率的评估 D>m!R[!o  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 {/K_NSg+h  
    +5oK91o[y  
     xq\A TON  
    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。 KV]8o'  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ~-zch=+u  
     a_amO<!   
    4. 结果：衍射级次的重叠 m+'vrxTY  
     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。 r0fEW9wL  
     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)。 9,>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。 Hribk[99  
     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) !R"iV^?V  
     光栅方程： * v W#XDx  
     %2z] 2@  
    8"KaW2/%  
    ,{VC(/d  
    ~|.vz!A  
    5. 结果：光谱分辨率 =6^phZ(  
    w//L2.  
     6y}|IhX?z  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run a@}A;y'd  
     3+d_5l;m)  
    6. 结果：分辨钠的双波段 2m0laJ3p9  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 t%Hy#z1W_  
       3|9 U`@  
    gy6Pf4Yo  
     w;4FN'  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 J-)9>~[E<  
    ?/ Cl  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run :$?^ID  
    uSU[Y,'x  
    7. 总结 "*N=aHsj  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 A0`#n|(Ad!  
    1. 仿真 YMfjTt@Q  
    以光线追迹对单色仪核校。 mOE%:xq9-  
    2. 研究 ;8J+Q0V  
    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。 wR*>9LjeG  
    3. 应用 FatLc|[  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 rXG?'jN  
    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。 Kb5 YA  
    扩展阅读 KOHYeiry~A  
    1. 扩展阅读 !i77v, (#|  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 eV)'@ 8p  
    #I] ^Wo  
     开始视频 ?O.1HEr  
    - 光路图介绍 [K4wd%+  
    - 参数运行介绍 /2#1Oi)o  
    - 参数优化介绍 (M,IgSn9  
     其他测量系统示例： w!N?:}P<N  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) N6wCCXd  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ERQc1G]3Dd  
     
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