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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) BF>T*Z-Ki  
    *13g <#$  
    应用示例简述 nMLU-C!t  
     LE<:.?<Z-  
    1.系统说明 .vN)A *  
     ]Qh[%GD  
    光源 iOKr9%9?Z  
    — 平面波(单色)用作参考光源 :vw0r`  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) u<x[5xH+  
     组件 {`($Q$Q1  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 k>7gy?Y!K<  
     探测器  b$PT_!d  
    — 功率 7sCR!0  
    — 视觉评估 &~z+R="=  
     建模/设计 8.:B=A  
    — 光线追迹：初始系统概览 ]6jHIk|  
    — 几何场追迹+(GFT+)： <Sz>ZIISd  
     窄带单色仪系统的仿真 E {I)LdAqK  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 6s> sj7  
    z]'|nX  
    2.系统说明 #( $k 3OA  
    >hHJ:5y  
     +ZY2a7uI  
    L[`R8n1C  
    3.系统参数 ' #;,oX~5  
    ' m  
     MA~|y_V  
    Pn~pej5'K  
    :;|)/  
    4.建模/设计结果 n ;Ql=4  
     :!r9 =N9  
    em f0sL  
     &*Q|d*CP  
    总结 WZfk}To1#  
     9:bh3@r/  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 M!;`(_2  
    1. 仿真 vo:52tCk}m  
    以光线追迹对单色仪核校。 Ukk-(gjX  
    2. 研究 )$2%&9b  
    应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 G1`mn$`kq  
    3. 应用 Z"teZ0H  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 .=.yZ  
    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。 ujI 3tsl  
     6i*ArGA   
    应用示例详细内容 F'$9en2I:  
    系统参数 x!Z:K5%O  
     WLg6-@kxXs  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 q/W{PBb-2k  
    Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 L%c]%3A  
    9,Crmbw8  
     7I2a*4}  
    / K2.V@T  
    2. 系统参数 PCV58n3  
     .{'Uvn  
    元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 [[Jv)?jm  
    (%ri#r  
     *IMF4 x5M  
    i_oro "%yL  
    3. 说明：平面波(参考) qaCi)f!Dl  
    |!jYv'%  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 w@ gl  
    3iwoMrp  
     #cSw"A  
    zm;*:]S  
    4. 说明：双线钠灯光源 ?<>,XyY  
    S*2L4Uj`|  
    z[0LU]b<  
     为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 _D7HQ  
     双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 SoXX}<~E4  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 `JY>v io  
    g%fJyk'  
     Cn6n4, 0  
    i 5 >J  
    5. 说明：抛物反射镜 "tg\yem  
    ~u~[E  
    Y*5@|Q  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 R%]9y]HQ  
     出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 }Uqa8&  
    KL:6P-3  
    @ ^XkU(m  
     }]n>A  
     V{AH\IV-  
    AK*mcTr  
    6. 说明：闪耀光栅 C-:SQf  
    yp^[]Mz=  
    ]"2 v7)e  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 +s*l#'Q  
     通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 _($-dJ {  
    ]U^d1&k  
    E |GK3/  
    b*6c. o  
     SG+i\yu$h0  
    ;I`,ZKY  
    7. Czerny-Turner 测量原理 l6}b{e  
     ELkOrV~a{:  
    通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 \0^rJ1*  
    m|e*Jc  
     p.TiTFu/  
    "[".3V  
    Fy(nu-W  
    8. 光栅衍射效率 [-:<z?(n4  
    iuU3*yyn  
    QE{;M  
     VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 _1>(GK5[  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 D?*sdm9r`  
     3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) [WO%rO^p  
     t\|K"  
    W_f"Gk  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd :zn ?<(sQ  
    "e7$q&R |  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ttAVB{kdo  
    G &rYz  
     (61twutC  
    xn x1`|1u  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 cJ(zidf_$  
    2t`9_zqLw  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 1UA~J|&gi^  
    /Y\E68_Fh  
     Er)_[^) HG  
    .^`a6>EQ)|  
     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)。 n.8A Ka6  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 oN6*WN tJ  
    }Cq9{0by?a  
    应用示例详细内容 W|-N>,G  
     3EW f|6RI  
    仿真&结果 A2O_pbQti  
     Zxxy1Fl#.[  
    1. 结果：利用光线追迹分析 _F/lY\vm  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ZNH*[[Pf  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 5dNf$a0E  
    ]x(2}h^ S  
     '*LN)E> d  
    LG@c)H74  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd LOb'<R\p  
     fF-\TW  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 l^eNZ3:H  
     通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 eze(>0\f  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 5t5S{aCDr  
    xP/1@6]_Je  
     通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 f$S QhK5`  
    m)]fJ_  
     [sY1|eX   
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 3f2Hjk7,d  
     oQjB&0k4  
    3. 衍射效率的评估 :mtw}H 'F8  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 QVRokI`BF  
    Ccd7|L1  
     ~G ^}2#5  
    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。 T# _n-b>  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ESf7b `tS  
     .]ZuG  
    4. 结果：衍射级次的重叠 {7~ $$AR(  
     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。 Jx ;"a\KD  
     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)。 Md?bAMnG+}  
     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。 16> >4U:Y  
     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)  jnKM6%z  
     光栅方程： q fH~hg  
     ${?exnb$  
    e}4^N1'd/  
    0S5C7df  
    ut5!2t$c  
    5. 结果：光谱分辨率 W*DIW;8p  
    ~md|k  
     ?nSp?m;  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run E+c3KqM  
     |tJ%:`DGw  
    6. 结果：分辨钠的双波段 MJ/%$  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ]%Yis=v  
       /uz5V/i0  
    68GGS`&  
      t-x"(  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 &?Z)V-1H  
    R6$F<;nw  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run  aC }1]7  
    DfzUGX  
    7. 总结 {2clOUi  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 `FB?cPR  
    1. 仿真 MH8%-UV  
    以光线追迹对单色仪核校。 HN~4-6[q  
    2. 研究 ec[[OIO  
    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。 8EEQV}4  
    3. 应用 3jeV4|  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 g2>u]3&W  
    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。 o3=S<|V  
    扩展阅读 n@,eZ!  
    1. 扩展阅读 ;AB,:*  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 GJt9hDM$0  
    yxUVM`.~  
     开始视频 -qP[$Q  
    - 光路图介绍 S!!\!w>N  
    - 参数运行介绍 f=O>\  
    - 参数优化介绍 |{IU<o x  
     其他测量系统示例： e27CbA{_w  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 8Y~T$Yj^  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) UVmyOC[Y{  
     
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