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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) `":ch9rK  
    ?#^_yd|<  
    应用示例简述 r[zxb0YA  
     V@Z8t8  
    1.系统说明 `/'Hq9$F<"  
     > ln%3 =  
    光源 oXg KuR  
    — 平面波(单色)用作参考光源 Zi=Nr3b  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) j5ZeYcQ-  
     组件 U3 e3  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 SLL%XF~/Sb  
     探测器 L{|V13?  
    — 功率 > _1*/o JO  
    — 视觉评估 (z0S5#g ,x  
     建模/设计 :0.Z/s -  
    — 光线追迹：初始系统概览 -y{o@  
    — 几何场追迹+(GFT+)： gRuNC=sR  
     窄带单色仪系统的仿真 :luVsQ  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 #N%xr'H  
    $ +h~VC  
    2.系统说明 8H3|i7.1h  
    #J]u3*T n|  
     0hXI1@8]`  
    uYlC*z{  
    3.系统参数 rLNo7i  
    udDhJ?  
     15_OtK  
    D;It0"  
    >C~-*M9  
    4.建模/设计结果 K*Zf^g m  
     1@C0c%  
    u=feR0|8  
     a3 <D1"  
    总结 "P=OpFV  
     5C/W_H+9iK  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Uu{I4ls6B  
    1. 仿真  R:98'`X=  
    以光线追迹对单色仪核校。 T9\wkb.  
    2. 研究 OS6 l*S('  
    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。 &'4id[$9  
    3. 应用 rl9YB %P  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ]S4kWq{Y  
    可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 A^2VH$j]+  
     L,| 60*  
    应用示例详细内容 [!4p5;  
    系统参数 7wsn8_n9  
     tK6z#)  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ozF>2`K }  
    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。 |B njT*_9  
    +~\1Zgw  
     ^ElUU?rX  
    D(D:/L8T,  
    2. 系统参数 3>%rm%ffE  
     cj@Ygc)n  
    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。 n1 `D:XrE  
    G=!1P]M{  
     [op!:K0  
    *|ez|*-  
    3. 说明：平面波(参考) jKZJ0`06q  
    uPc}a3'?  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 H#x=eDU|k  
    9nlfb~ F~P  
     abkl)X>k  
    qz"di~7  
    4. 说明：双线钠灯光源 *Hy-D</w%  
    [ps5;  
    wq!Gj]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。 "Q6oPDX(  
     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)。 SuU,SE'TX  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 YU.aZdA&V3  
    %KK6}d #  
     fOCLN$x^  
    lN#W  
    5. 说明：抛物反射镜 ya3A^&:  
    6=s!~  
    9F)+p7VJq  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 =.O8G=;DOA  
     出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 #L5H-6nz  
    x zu)``?  
    |uI d:^ {  
    p 9Zi}!  
     )WavG1  
    p'fq&a+  
    6. 说明：闪耀光栅 Y3+DTR0|'  
    =mxG[zDtQ  
    3maiBAOKz  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 hdt;_qa   
     通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 awh<CmcZ  
    OAO|HH  
    "n3r,  
    WzZ<ZCHm  
     U/9xO"b{.  
    lJ;7sgQ#  
    7. Czerny-Turner 测量原理 p;cNmMm  
     O4J <u-E$  
    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。 p A7&  
    >Q#h,x~vu  
     RhR{EO  
    }A,9`  
    9$ZQuHSw 7  
    8. 光栅衍射效率 !qk+>6~A,  
    -J*BY2LU3f  
    W5 ^eCYHoi  
     VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 yXP+$oox9  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 S?ELFq(g  
     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) TtTp ,If  
     f Ne9as  
    5r)ndW,aN  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd I^S gWC  
    y,'M3GGl  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ieuq9ah#  
    8AL`<8$  
     # 4UKkd  
    vpnQs#8O  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 R5OP=Q8  
    D! TFb E  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 APY^A6^:j  
    2$ m#)*\  
     e$kBpG"D  
    qj|P0N{7  
     增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 A$d)xq-]K  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 @GTkS!86  
    [ye!3h&]  
    应用示例详细内容 -u+@5K;^Y  
     ws}cMX]*  
    仿真&结果 *iLlBE  
     VPOzt7:  
    1. 结果：利用光线追迹分析  W^dk:  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 _yx~t  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 ].ZfTrM]  
    @ ;T|`Y=7  
     $~)BO_;o  
    aE aU_f /  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd  vVvx g0  
     &.W,Hh  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 l-^2>K[  
     通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 ]'IZbx:  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， DA=#T2)p  
    i28WgDG)5  
     通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 Uk1|y\  
    [d"]AF[#  
     Ygeg[S!7  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms |h^[/  
     D;?cf+6$  
    3. 衍射效率的评估 '%Fg+cZN\  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 stxei 6  
    _PPZ!r(  
     f%,Vplb  
    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。 5:R$xgc  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd F#b^l}  
     c/Dk*.xy<  
    4. 结果：衍射级次的重叠 mYUR(*[  
     因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 3#\++h]QZ  
     VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 *sJT\J$D[  
     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。 90"&KDh  
     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) }>93X0%r  
     光栅方程： bm>N~DC  
     wak:"B[  
    ^U q%-a  
    I3I1<}>]Z  
    og[cwa_  
    5. 结果：光谱分辨率 F o k%  
    7y?aw`Sw:  
     d/&W[jJ  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run +x!Hc  
     Wg5<@=x!G  
    6. 结果：分辨钠的双波段 ']bw37_U,  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 0#G@F5; <  
       @1w[~QlV  
    Tv[h2_+E  
     aRV .;S  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 n[K LY!  
    !-veL1r  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run WrHY'  
    A:$4cacu9  
    7. 总结 jd.{J{o  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 8P?p  
    1. 仿真 oBS m>V  
    以光线追迹对单色仪核校。 ]qd$rX   
    2. 研究 7!;H$mxP  
    应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 _j\GA6  
    3. 应用 ]5O]=^ u0  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 i7XM7 +}  
    可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 JT p+&NS  
    扩展阅读 nl-y0xD9c  
    1. 扩展阅读 n \i ~H  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 BROn2aSx%  
    eH_< <Xh!v  
     开始视频 }`pxs  
    - 光路图介绍  ID]E3K  
    - 参数运行介绍 ,W|cyQ  
    - 参数优化介绍 uXouN$&  
     其他测量系统示例： "h5.^5E6  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) h'nXV{N0  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) V7"^.W*  
     
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