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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) mnswG vY  
    >.N?y@  
    应用示例简述 ~]P_Yd-|  
     5%j !SVW  
    1.系统说明 #-kG\}  
     0L1NZY^!  
    光源 #@Yw]@5M  
    — 平面波(单色)用作参考光源 :it52*3=  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) VJ;4~WgBz  
     组件 4`Qu+&4J  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 CEjMHP$=  
     探测器 OI</o0Ca  
    — 功率 Ub!MyXd{q  
    — 视觉评估 Ha{#  
     建模/设计 E4~k)4R  
    — 光线追迹：初始系统概览 ]wCg'EUB  
    — 几何场追迹+(GFT+)： 9T#d.c24  
     窄带单色仪系统的仿真 #]pFE.o  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 8TIc;'bRM  
    WVlyR\.  
    2.系统说明 uQgv ;jsPz  
    H$Om{r1j  
     ousvsP%'  
    ,;9byb  
    3.系统参数 v?Q&06PMRc  
    FY h+G-Y#  
     qELy'\  
    BMMWP   
    R: 8\z0"L*  
    4.建模/设计结果 jt5en;AA[  
     @%mJw u  
    *CG-F=  
     uBp"YX9rx  
    总结 V*HkF T  
     T@0\z1,~S  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 x%HX0= (  
    1. 仿真 >.^/Z/[.L  
    以光线追迹对单色仪核校。 H<bYm]a%  
    2. 研究 kpFt  
    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。 }: v&Nc  
    3. 应用 Q@zD'G >  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 {z:aZ]QhKc  
    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。 oqeA15k$  
     Jb+cC)(  
    应用示例详细内容 4 0as7.q  
    系统参数 P:,@2el  
     ^5n"L2 9V  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 e%_2n=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。 wJ 0KI[p(S  
    #qqIOjS^w  
     BVAxeXO  
    )xKZ)SxV  
    2. 系统参数 LDilrG)  
     tB-0wD=PR  
    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。 ;la sk4|  
    );X &J:-l+  
     4H@:|  
    M@\A_x(Mas  
    3. 说明：平面波(参考) ;jC}.] _)w  
     {*!L[)  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 a B(_ZX'L  
    [Aqy%mbG  
     DbDi n  
    z^;0{q,  
    4. 说明：双线钠灯光源 ?4p\ujc  
    $,Q0ay  
    i|5.DhK}  
     为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 J0xV\O !e  
     双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 SvE3E$*  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 <0R$yB  
    `x b\)  
     9eG{"0)  
    :xqhPr]e  
    5. 说明：抛物反射镜 UEkn@^&bg  
    K9\p=H^T7  
    t]dtBt].:  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 ([vyY}43h  
     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。 ~cC =DeX  
    Ph{7S43  
    s @AGU/v  
    |a||oyrN  
     nd~cpHQR^  
    'IVNqfC)u  
    6. 说明：闪耀光栅 #J4{W84B  
    R<* c   
    Wd9y8z;  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 SQ$|s%)oB  
     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 /=o~7y  
    G3[X.%g`  
    T9&-t7:  
    FBDRbJ su  
     ?%)G%2  
    H rMH  
    7. Czerny-Turner 测量原理 -L zx3"  
     O $ p  
    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。 \L6kCY  
    ]'  ck!eG  
     ^a,Oi%  
    abs\Ku9  
    & B CA  
    8. 光栅衍射效率 pv LA:LW2  
    hU: 9zLe  
    h\]D:S  
     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。 fv;3cxQp  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 "`va_Mk  
     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) l*l?aI  
     F},#%_4  
    ( L{>la!  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd yUUg8xbpxF  
    -MA/:EB  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ]H%S GQPn  
    Ll2yJ .C4  
     *#{V ^}  
    3izGMH_`  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 `]u!4pP"  
    dq6|m }g{  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 +1uAzm4SL  
    L4Nn:9b  
     B\<;e  
    %$'YP  
     增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 .()|0A B&g  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 cPx] :sC  
    /V>q(Q  
    应用示例详细内容 3zr95$Mt  
     v@qU<\Y>  
    仿真&结果 W`vgH/lSnZ  
     tAi ~i;?  
    1. 结果：利用光线追迹分析 +VE ] .*T  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 jPDk~|  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 X npn{  
    }=7? & b  
     $;k2b4u  
    @7}]\}SR  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd D#8uj=/%  
     8lNkY`P7s  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 OV.f+_LS  
     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)。 EFk9G2@_  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， $\9M6k'  
    u#Z#NP ~F0  
     通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 j=],n8_i  
    Rr%CP[bH  
     "/#=8_f  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ZcQ@%XY3~  
     l`mNOQ@}'  
    3. 衍射效率的评估 3hD\6,@  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 w>TlM*3D/  
    Vw@?t(l>  
     9f|+LN##  
    比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 SNUq  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd eX 0due  
     \LEU reTn  
    4. 结果：衍射级次的重叠 GN=ugP 9  
     因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 xG7/[ jG  
     VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 } G3:QD  
     0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 d#W>"Cqxqa  
     通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) 8TE2q Pm  
     光栅方程： qhQeQ  
     XwlF[3VbiX  
    |ctcY*+  
    \@eaSa  
    v>!tws5e  
    5. 结果：光谱分辨率 >"/Sa_w  
    "C~Zl&3  
     r9vO(m~  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run {;2Gl$\r  
     71I: P|.>  
    6. 结果：分辨钠的双波段 )wb&kug -  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 B]lM69Hz  
       3[UB3F 4K  
    sWGc1jC?.F  
     A?;KfVq  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 !zR1CM  
    `iQ9 9  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run <fm<UO,%  
    9l&4mt;+&<  
    7. 总结 1(`UzC=R|  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Oe_*(q&  
    1. 仿真 \pwg8p[4Q  
    以光线追迹对单色仪核校。 JO=kfWW  
    2. 研究 tXg>R _\C  
    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。 ?}Y;/Lwx  
    3. 应用 C_rA'Hy  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Js0hlWu  
    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。 %h^ f?.(:  
    扩展阅读 )Zbrg~-@  
    1. 扩展阅读 @@pI>~#zh  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 8Rric[v  
    ":Uv u[-  
     开始视频 *,y .%`o  
    - 光路图介绍 i!7|YAu  
    - 参数运行介绍 YacLYo#  
    - 参数优化介绍 8;q2W F{AX  
     其他测量系统示例： Gi 7p`F.  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) tGVC"a  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ]dU/;8/%  
     
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