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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) 9eQxit7  
    9j6QX ~,  
    应用示例简述 7V!*NBsl  
     b?lD(fa&  
    1.系统说明 /^#;d UB  
     Su/6Q$0 t  
    光源 Tq[kl'_  
    — 平面波(单色)用作参考光源 lrIjJ V  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) 8b;1F Q'  
     组件 I$Op:P6.E  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Lo N< oj5  
     探测器 t^G"f;Ra+  
    — 功率 kTu[ y;  
    — 视觉评估 j~jV'f.:H  
     建模/设计 I7n"&{s"*  
    — 光线追迹：初始系统概览 P"8~$ P#  
    — 几何场追迹+(GFT+)： lHPd"3HDK  
     窄带单色仪系统的仿真 Ni-xx9)=  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 oF1,QQ^dg  
    !u[eaLxV  
    2.系统说明 a C\MJ9  
    l:,'j@%  
     6"J? #  
    @v)p<r^M">  
    3.系统参数 gf &Pn  
    pUQ/03dp  
     eoG$.M"  
    ':3 pq2{  
    afuOeZP  
    4.建模/设计结果 fY51:0{  
     H2jgO?l;!  
    xRzFlay8  
     _M`--.{\O[  
    总结 ~O oidKT  
     J$GUB3 G  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 iXVe.n  
    1. 仿真 c|B.n]Z  
    以光线追迹对单色仪核校。  ~- _kM  
    2. 研究 x7!L{(E3  
    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。 7WkB>cn  
    3. 应用 KyYMfC  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 O7-mT8o  
    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。 9.gXzP H  
     zuJ@E=7  
    应用示例详细内容 #*K}IBz  
    系统参数 8QLj["   
     `(ue63AZ  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 t\~P:"  
    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。 !sQY&*  
    "4+ &-ms  
     Q  Nh|Wz  
    hIs4@0  
    2. 系统参数 5 ZGNz1)?V  
     bnq; )>&  
    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。 s%nUaWp~  
    )U7t  
     bpJ(XN}E  
    vNV/eB8#S  
    3. 说明：平面波(参考) RKHyw 08  
    Z'`g J&6n  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 Pq;U &,  
    \E72L5nJW  
     }Gz~nf%  
    5cL83FQh  
    4. 说明：双线钠灯光源 Z_};|B}  
    ZM !CaR  
    C*)3e*T*  
     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。 A&.WH?p  
     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)。 n'wU;!W9  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 EUD~CZhS"k  
    "}u.v?HYz  
     NO "xL,  
    [YF>:ydk  
    5. 说明：抛物反射镜 g]<4&)~  
    I5 o)_nc  
    +7D|4  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 WejY y|  
     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。 m4hX 'F  
    [')m|u~FS4  
    jSh5!6O  
    8Wrh]egu1  
     L[oui,}_  
    &gVN&  
    6. 说明：闪耀光栅 R} eN@#"D  
    gf#{k2r  
    ~ -4{B  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 4ni<E*  
     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 [;4 g  
    .0S~872  
    f=(?JT  
    Ygm`ZA y  
     rn/ /%  
    hm84Aq= f  
    7. Czerny-Turner 测量原理 XX7{-Y y  
     5gH1.7i b  
    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。 #a/5SZP Z\  
    a]JYDq`,3  
     aE`c%T):`  
    q.KG^=10  
    fM]+SMZy  
    8. 光栅衍射效率 !o5 W  
    3EV;LH L  
    zvYq@Mhr  
     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。 0LPig[  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 y6ECdVF  
     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) y?[ v=j*U  
     .f*4T4eR-  
    V/%>4GYnC  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd ^ZvWR%  
    ;kFDMuuO  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 :#LLo}LKp  
    ' KWyx  
     S@jQX  
    RY]#<9>M  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 Jv>gwV{  
    :By?O"LQ  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 6_J$UBT  
    j-4VB_N@  
     h%o%fH&F!  
    6.CbAi3Z  
     增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 ;+e}aER&9  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 sd,J3  
    (_niMQtF}  
    应用示例详细内容 (n*^4@"2  
     ~xA-V4.  
    仿真&结果 8UW^"4  
     .R) D3NZp  
    1. 结果：利用光线追迹分析 S'|,oUWDb  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 nim*/LC[:  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 HFKf kAl  
    _K`wG}YIE  
     =[H;orMr  
    -(~.6WnhS  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd B( ]M&  
     6DM$g=/ '  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 -l`f)0{  
     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)。 w zYzug  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 33o9Yg|J~  
    \.C +ue  
     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。 xO$lsZPG  
    `e(c^z#  
     t#Z-mv:(  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms w&$`cD  
     j.C`U(n}`  
    3. 衍射效率的评估 J5di[nu  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 bP8Sj16q  
    ql<i]Y  
     (*Z)(O*z  
    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。 9)y/:sO<P  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd >7wOoK|1'  
     #Vl 0.l3  
    4. 结果：衍射级次的重叠 NhfJ30~  
     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。 @E^~$-J5j  
     VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 3 *d"B tg  
     0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 O}tZ - 'T  
     通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) J{l1nHQZSu  
     光栅方程： 8I-u2Y$Sr  
     D!Q">6_"z  
    *v;!-F&8>  
    ST2.:v;lb  
    C+?Hm1  
    5. 结果：光谱分辨率 , `wXg  
    ~Fe${2   
     m#8m] Y  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run :}yi -/_8!  
     *meZ8DV2DH  
    6. 结果：分辨钠的双波段 P7J>+cm  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 wAX1l*`  
       N/]o4o  
    %u`8minCt  
     uXI_M)  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 @|Fg,N<Y]  
    aiQ>xen5C5  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run _,zA ^*b  
    sJ# 4(r`  
    7. 总结 ,/YF-L$(t  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 l*ayd>`~x  
    1. 仿真 j;%-fvd;  
    以光线追迹对单色仪核校。 <DMl<KZ  
    2. 研究 tna .52*/  
    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。 x1Lb*3Fe  
    3. 应用 $iI]MV%=  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 p%iGc<vHX  
    可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 rW0kA1=E  
    扩展阅读 v$~QU{ &  
    1. 扩展阅读 ]Gpxhg  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 V7GRA#|  
    @_U;9)  
     开始视频 |s)Rxq){"V  
    - 光路图介绍 bIGHGd  
    - 参数运行介绍 qgE 73.!`6  
    - 参数优化介绍 2uG0/7  
     其他测量系统示例： ?bPRxR  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ykv94i?Q  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) x6(~;J  
     
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