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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) %rrD+  
    XI$W  
    应用示例简述 Z{l`X#':  
     D'ZUbAh!  
    1.系统说明 lg )xQV  
     ~(tt.l#  
    光源 2g5 4<G*e  
    — 平面波(单色)用作参考光源 ARnq~E@1  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) ,+h<qBsV@  
     组件 S[y_Ew zq  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Lh-Y5(c o  
     探测器 lsj9^z7  
    — 功率 #"TYk@whWf  
    — 视觉评估 6nsb)7a  
     建模/设计 bW/T}FN D  
    — 光线追迹：初始系统概览 r7}KV| M  
    — 几何场追迹+(GFT+)： l'2vo=IQ  
     窄带单色仪系统的仿真 Df2$2VU  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 W;!V_-:  
    iKaS7lWH  
    2.系统说明 3rN}iSF^  
    @sZ' --Y  
     v;?W|kJ.u  
    `\ IaeMvo  
    3.系统参数 .) %, R  
    qSD`S1'2;  
     "mU2^4q  
    +G!# /u1  
    *'M+oi  
    4.建模/设计结果 J%q)6&  
     Mkt_pr  
    Cl& )#  
     \f Kn} ]kG  
    总结 wpQp1){%Q  
     x+'Ea.^  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 4XiQ8"C  
    1. 仿真 9|@5eN:N  
    以光线追迹对单色仪核校。 -cn`D2RP  
    2. 研究 ?/,V{!UTtq  
    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。 h;#^?v!+  
    3. 应用 }9z$72;Qdq  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Lq6nmjL  
    可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 4wEkxCWp/  
     2t?>0)*m  
    应用示例详细内容 Ag(JSVY  
    系统参数 ;<0~^,Xm  
     Y37qjV  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 B 'd@ms  
    Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 4pcIH5)z  
    (&V*~OR  
     S @!z'$&  
    T(cpU,Q  
    2. 系统参数 `@6y Wb:X  
     QGErQ +l  
    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。 5OFB[  
    _|MK0'+f  
     q/@r#  
    wA,-!m  
    3. 说明：平面波(参考) ||7x51-yj  
    jzi^ OI7  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 M#8_Qbvfk  
    o:as}7/^  
     $ Grk{]nT  
    qI74a F  
    4. 说明：双线钠灯光源 lPA}06hU  
    y<v-,b*  
    Z%I 'sWOd  
     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。 4Uwcc):f  
     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)。 rJ6N'vw>  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 &wkb r2P  
    j&8G tE1b  
     <{Rz1CMc  
    n{m[ j+UG  
    5. 说明：抛物反射镜 =gd~rk9  
    /;}o0 DYeW  
    Tz\v.&? $  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 :V)=/mR  
     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。 mv/ Nz?  
    'auYmX  
    K[9P{0hA  
    x;STt3M~  
     6s! =de  
    9:E.Iy  
    6. 说明：闪耀光栅 6mIRa(6V  
    LzEH&y_O  
    \x8'K  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 o6 :]Hvqjr  
     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 "p>kiNu  
    uF D  
    hb)83mH}  
    H$zDk  
     >#.du}t  
    =C^4nP-  
    7. Czerny-Turner 测量原理 h?->A#  
     3JF" O+@  
    通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 g- INhzMu  
    mJVru0  
     ZJjm r,1  
    s|:j~>53  
    X#MC|Fzy@  
    8. 光栅衍射效率 _znn`_N:v  
    QT(]S>--n  
    )Tn(!.  
     VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 97}l`z;Z  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 HJe6h. P  
     3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) ,!^;<UR:  
     S'IQbHz*  
    ;s$ P?('  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd mw\Pv|  
    5^2P\y(?  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 "@jYZm8  
    .;:dG  
     S=`#X,Wo  
    0(A&m ,  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 nc#} \  
    pEG!j ~  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 *OY Nx4k  
    ?ViU%t8J5  
     !qs3fe<uh"  
    [](] "r  
     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)。 [Lid%2O3ZR  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 mbIHzzW>  
    % hRH80W|  
    应用示例详细内容 wJWofFz  
     *MXE>   
    仿真&结果 Y0o{@)Y:  
     mk3,ke8  
    1. 结果：利用光线追迹分析 Qf@ha  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 F||oSJrI  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 nS^,Sq\Ak  
    [5MV$)"!j  
     .JWN\\  
    qoC<qn{.a  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd x\Kt}/97e  
     Mg\8m-L^  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 K'U=);W  
     通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 zm=|#f  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， iGIry^D  
    fRcy$  
     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。 %07vH&<C.  
    %Lfy!]Ru  
     @`rC2-V  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms " 8g\UR"[  
     Rs "#gT  
    3. 衍射效率的评估 8qv>C)~~`  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 V6^=[s R  
    +)*oPSQ5  
     v}uzUY  
    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。 xbZR/!?  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd =O~Y6|  
     A7GWU{i  
    4. 结果：衍射级次的重叠 3 E!F8GZ  
     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。 ,egbU (:l  
     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)。 :eR\0cn  
     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。 En YEAjX  
     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) srd\Mf_Ej  
     光栅方程：  ^J& }C  
     $8NM[R.8^4  
    cIXqnb  
    )C0 y<:</  
    Ak,T{;rD  
    5. 结果：光谱分辨率 "V<7X%LIX  
    #i-b|J+%  
     lN[#+n  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run L=kETJ:g  
     8:"s3xaO3  
    6. 结果：分辨钠的双波段 Jr,**,wA  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 '],G!U(  
       l#3jJn  
    \S)cVp)h  
     Q^Q6| n  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 94u~:'t>V  
    D<Z]kR(  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run wRe2sjM  
    JYa3xeC;  
    7. 总结 d+&w7/F  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 (bGk=q=M  
    1. 仿真 WTu1t]  
    以光线追迹对单色仪核校。 y6gaoj  
    2. 研究 eZmwF@  
    应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 *\$ko)x?c  
    3. 应用 6:`4bo  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 q$jwH] .  
    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。 *4[P$k$7  
    扩展阅读 @e^(V$ap  
    1. 扩展阅读 X="]q|Z  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 QzV%m0  
    F|?}r3{aJ  
     开始视频 Vu Ey`c  
    - 光路图介绍 MQl GEJ  
    - 参数运行介绍 xgZ<. r  
    - 参数优化介绍 5ih5=qX  
     其他测量系统示例： QTjnXg?Ri  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 9Q&]5| x  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) F[~~fm_  
     
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