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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) $JJrSwR<h  
    [z`31F  
    应用示例简述 r&R B9S@*h  
     QS` PpyBkd  
    1.系统说明 >*#1ZB_l  
     b F"G[pD  
    光源 aWWU4xe  
    — 平面波(单色)用作参考光源 UEM(@zD]  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) #LL?IRH9^  
     组件 Mc09ES  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 %l}D.ml  
     探测器 /%}*Xh  
    — 功率 JEahGzO  
    — 视觉评估 {mZC$U'  
     建模/设计 `\gnl'  
    — 光线追迹：初始系统概览 l_P-j 96WD  
    — 几何场追迹+(GFT+)： #fM#p+v  
     窄带单色仪系统的仿真 \?0&0;5  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 C&*oI =6  
    2 Ga7$q  
    2.系统说明 6y+Kjd/D  
    544X1Ww2  
     \>:CvTzF  
    6r"eN%m  
    3.系统参数 #A1Z'y0  
    >/kc dWl  
     Ljxz.2LGr  
    ,2j&ko1  
    Kw efs;<E?  
    4.建模/设计结果 Rot@x r7Hc  
     >}`:Ac  
    !;i`PPRwk  
     M dZ&A}S  
    总结 v 1z  
     E^ P,*s  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 <j*;.yyC  
    1. 仿真 y.#")IAF  
    以光线追迹对单色仪核校。 HJXT9;w  
    2. 研究 zLD0RBj7p  
    应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 Xu< k3oD7  
    3. 应用 P `}zlml  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 *c~T@m~DR  
    可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 @ezH'y-v  
     <49K>S9O  
    应用示例详细内容  87<-kV  
    系统参数 x(hE3S#+  
     e,F1Xi #d  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 >XY`*J^  
    Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 ,k{#S?:b  
    @.b+av4J  
     iF-6Y0~8  
    =yr0bGy`-  
    2. 系统参数 Mn9dqq~a  
     A<5ZF27  
    元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 &Q;sSIc  
    -yE/f2PgQ  
     &Sl[ lXE  
    p2n0Z\2  
    3. 说明：平面波(参考) mL{B!Q  
    9K5pwC\$%  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 o7J  
    vy0X_DPCr  
     :`-,Lbg  
    *AoR==:ya  
    4. 说明：双线钠灯光源 lsNrAA%m  
    +=q$x Ia  
    /tP|b _7O  
     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。 ofPHmh`  
     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)。 P;P%n  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 e\Y*F  
    $ et0s;GBv  
     ^HV>`Pjd}=  
    $nb[G$  
    5. 说明：抛物反射镜 bu:S:`  
    *+j* {>E  
    $^OvhnL/  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 IhA5Wt0j  
     出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 giZP.C"0  
    ]$Yvj!K*Q  
    :YXX8|>  
    MS\>DW  
     A*2  bA  
    * mOo@+89  
    6. 说明：闪耀光栅 D}dn.$  
    4a'N>eDR  
    `8^TTQ  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 7B!x T2{T  
     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 Sx?ua<`:d  
    4*Q#0`um  
    ]z l [H7  
    B$b +Ymu  
     AtdlZ  
    k p<OJy  
    7. Czerny-Turner 测量原理 7w'wjX-  
     x|mqL-Q f  
    通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 ny`#%Vs  
    o$w_Es]Ma  
     H*[ M\gN$  
    R{ a"Y$  
    8-BflejX  
    8. 光栅衍射效率 W_kHj}dj,p  
    { jhr<  
    t^6dzrF  
     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。 @xbQYe%J  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 vH#huZA?7  
     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<J;&41~S  
     5[A@ gw0u  
    kL$!E9  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd kO|L bQ@=q  
    <)u`~$n2  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 95YL]3V  
    rcMwFE?|xq  
     Olh<,p+x  
    " f "6]y  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 "tB;^jhRs  
    Cq'KoN%nQ  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 qMLD)rL  
    $4/yZaVb  
     kg'o&^/=  
    Qk,I^1w?7  
     增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 VxVE  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 f6p-s y>  
    hnDBFQ{  
    应用示例详细内容 <$X3Hye  
     j!]YNH@  
    仿真&结果 NdzSz]q}  
     O*0l+mop  
    1. 结果：利用光线追迹分析 8DegN,?  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 W3 'q\+  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 `[W[H(AjQ  
    N7O-2Z *  
     |NpP2|4h  
    BDR.AZ  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd y *fDwd~  
     ie2WL\tR4  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 R'C2o]  
     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)。 paKSr|O  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， P@9t;dZN  
    X4 A<[&F/  
     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。 ,M^P!  
    X{\F;Cb*  
     PX<J&rx  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 5 N#3a0)  
     hM{{\yZS  
    3. 衍射效率的评估 8 0Gn%1A9  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 R,pX:H&#+  
    JV]^zW  
     aB7+Tb  
    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。 Hm%;=`:'  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd [3{W^WSOz  
     @wE5S6! B\  
    4. 结果：衍射级次的重叠 "4uS3h2r  
     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。 (]Y 5eM  
     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)。 &NH$nY.r  
     0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 xwJH(_-  
     通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) [Pq}p0cD  
     光栅方程： 1T-8K r  
     (2:/8\_P  
    ( 5tvfz%  
    *#tJM.Z  
    Y#u}tE d  
    5. 结果：光谱分辨率 ?e,pN,4  
    RPE5K:P  
     r=X}%~_8X  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run HN&Z2v   
     2JJ"O|Ibz  
    6. 结果：分辨钠的双波段 mR}6r2O2\Q  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 S$Q8>u6Wk  
       }Ub6eXf(2  
    = c>Qx"Sw  
     /J:bWr  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 +eFFSt  
    ev#;t@^  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run =gJb^ Gx(w  
    K)Q]a30  
    7. 总结 d*~ ICir7  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ]cGA~d  
    1. 仿真 MD|5 ol9  
    以光线追迹对单色仪核校。 (fCXxyZrr  
    2. 研究 k;w- E  
    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。 uWM{JEOl  
    3. 应用 p' +  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 lJE93rXU  
    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。 Y0_),OaY  
    扩展阅读 ++V=s\d7  
    1. 扩展阅读 U2ZD]q  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 q^r#F#*1l  
    ],RdySN&  
     开始视频 ~wJFa'2  
    - 光路图介绍  Fl1;;F  
    - 参数运行介绍 Mi/&f   
    - 参数优化介绍 r9 !Tug*>m  
     其他测量系统示例： 6bBB/yd  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) :1iqT)&|8F  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) /Rg*~Ers *  
     
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