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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) s=8H< 'l  
    xM jn=\}  
    应用示例简述 z!}E2j_9P  
     dFz"wvu` o  
    1.系统说明 <h#*wy:o2  
     *'Yy@T8M  
    光源 p2STy\CS  
    — 平面波(单色)用作参考光源 b| L;*<KU  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) $)M3fZ$#  
     组件 D+7xMT8pqH  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 0*{(R#  
     探测器 9X*N k~}Y  
    — 功率 F[ E'R.:  
    — 视觉评估 tMl y*E  
     建模/设计 qb"S   
    — 光线追迹：初始系统概览 7b"fpB  
    — 几何场追迹+(GFT+)： i2<z"v63  
     窄带单色仪系统的仿真 o}AXp@cqi  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 alb3oipOB  
    R$&;  
    2.系统说明 NW\CEJV  
    VX)8 pV$  
     Xh"9Bcjf  
    't<iB&wgF  
    3.系统参数 "| '~y}v_  
    ? }HK!feU  
     'va[)~!  
    3&-rOc  
    $f:uBhM  
    4.建模/设计结果 tJ(xeb  
     OUulG16kK  
    YSnh2 Bq  
     LHY7_"u#  
    总结 '?rR>$s  
      Zmu  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Nc+0_|,  
    1. 仿真 T<]{:\*n  
    以光线追迹对单色仪核校。 #cY[c1cNv  
    2. 研究 Y:\msq1xp  
    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。 !Rv ;~f/2  
    3. 应用 :2/L1A)O  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 YIe1AF}   
    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。 }c,b]!:  
     IyO 0~Vx>  
    应用示例详细内容 vj?{={Y  
    系统参数 T}Tv}~!f  
     PZ]tl  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 {~apY,3  
    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。 971=OEyq*  
    k0Vri$x  
     v`4w=!4  
    fN2Sio:  
    2. 系统参数 /d&m#%9Up]  
     MHwfJ{"zo  
    元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 <#0i*PM_  
    dS1HA>c)O  
     7C|AiSH  
    P& 1$SWNyW  
    3. 说明：平面波(参考) - (s0f  
    ;@; a eu  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 eU"yF >6'  
    S_7]_GQ9  
     l,|Llb  
    4X=VNORlU0  
    4. 说明：双线钠灯光源 m=}h7&5p  
    *~8F.c x  
    "kApGNB  
     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。 rxp|[>O<  
     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)。 GgxPpS<ne  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 9~V'Wev  
    -mJs0E*g  
     "dpjxH=xO  
    i[z 2'tx4  
    5. 说明：抛物反射镜 I[E 6N2  
    )?{<Tt@  
    `n>/MY  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 W B:0}b0Gu  
     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。 QGNKQ`~  
    2P:X_:`~[  
    %; &lVIU0  
    4Uny.C]  
     /Am9w$_T[  
    her>L3G-E  
    6. 说明：闪耀光栅 U)dcemQY  
    59nRk}^$se  
    !w7/G  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 u-~ec{oBu  
     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 FH}?QebSR  
    K qJE?caw  
    (H:c8 0/V  
    ") 8l'^Mq2  
     .qE  
    C-edQWbcP  
    7. Czerny-Turner 测量原理 ~2* LWH*@  
     10Eun }  
    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。 1tbA-+  
    +xuv+mo  
     bofI0f}5.  
    /US%s  
    !W XV1S  
    8. 光栅衍射效率 ,?LE5]  
    e\~nqKCb  
    K2*rqg  
     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。 KY&Lv^1_|  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 Kjbk zc1  
     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) [xGwqa03  
     4lPO*:/  
    w*{{bISw|  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd ,LZA\XC  
    Qw_uwQZ)  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ~;?mD/0k  
    9{(q[C5m  
     #j7&2L  
    oY~q^Y  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 TQb/lY9*  
    ";dS~(~  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 F7' MoH  
    l!gX-U%-  
     `Ku:%~$/  
    6}Y==GP t  
     增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 0;x&\x7K  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 9O &]!ga  
    1E$\&*(  
    应用示例详细内容 =WUNBav  
     T}J)n5U}\  
    仿真&结果 =m<b+@?T  
     , $!F,c  
    1. 结果：利用光线追迹分析 PM!JjMeQh  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 n-K/d I  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 q-CgX wU  
    S.[L?uE~F  
     S? Cd,WxT  
    WCY._H>|   
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd LawE 3CD  
     !L +b{  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 X\BFvSv8C  
     通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 Iep_,o.Sk  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， MMO/vJC  
    l`#rhuy`  
     通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 gs+n J+b  
    #-b}QhxH  
     L_ T+KaQCH  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 3 }sy{Mx%9  
     cY+fZ=  
    3. 衍射效率的评估 w15a~\Qu  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 TP| ogF?  
    ,2U  
     C/ VHzV%q  
    比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 jHob{3  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd VI|2vV6?  
     Z Uj1vf6I  
    4. 结果：衍射级次的重叠 .5>]DZn6  
     因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 >KQ/ c  
     VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 c0l?+:0M  
     0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 ]2ab~ gr  
     通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) 6i+AJCkC  
     光栅方程： >mtwXmI  
     P_H2[d&/>D  
    'b"7Lzp2  
    _s<BXj  
    } PL{i  
    5. 结果：光谱分辨率 `*0VN(gf'  
    zr A3bWs  
     ~233{vh$=>  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 45BpZ~-  
     +t-_FbFh3D  
    6. 结果：分辨钠的双波段 NZG ^B/  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 *yHz#u'  
       #zgO_ H  
    yXIJeo"  
     7'8G,|&:*  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 3=?,Dv0P  
    [j TU nP  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run YnU*MC}  
    2^=.f?_YR  
    7. 总结 g/FT6+&T.  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 H}&JrT95  
    1. 仿真 0,&] 2YJ  
    以光线追迹对单色仪核校。 FWp ?l  
    2. 研究 I\-M`^@  
    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。 O`!XW8  
    3. 应用 xY.?OHgG/  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 9:3`LY3wW  
    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。 (]?M=?0\  
    扩展阅读 0dsL%G~/N  
    1. 扩展阅读  `2\:b^h  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 6~>h;wC  
    hW~UJ/$  
     开始视频 4\ElMb[]  
    - 光路图介绍 A|4 3W =  
    - 参数运行介绍 BhjDyB  
    - 参数优化介绍 SY:ISzB}  
     其他测量系统示例： ] X)~D!mA  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) <EE^ KR96  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) BW3Q03SW6  
     
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