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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) &u_s*  
    SbLx`]rI  
    应用示例简述 ;be2sTo  
     _FET$$>z N  
    1.系统说明 jJN.(  
     D-[` wCa,  
    光源 Zljj  
    — 平面波(单色)用作参考光源 KKz{a{ePY%  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) 0t-!6  
     组件 GJLlMi  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 AQ>8]`e`  
     探测器 2\Vzfca  
    — 功率 RE72%w(oM  
    — 视觉评估 b`@aiXN)+  
     建模/设计 @c<*l+Qc  
    — 光线追迹：初始系统概览 ZR~ *Yofy  
    — 几何场追迹+(GFT+)： 6w d0"  
     窄带单色仪系统的仿真 :<    
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 <_S>-;by  
    'nOc_b0  
    2.系统说明 io[$QTY  
    ay\e# )  
     H5f>Q0jq  
    E1U~ ew  
    3.系统参数 HQ8oOn  
    _E[zYSo`  
     87Sqs1>cw  
    6dG:3n}  
    3|=9aM^x^  
    4.建模/设计结果 >a@c5  
     }1ABrbc  
    35dbDgVz$  
     ]V,wIy C  
    总结 tpJe1J<  
     v !~lVv&  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 >tfy\PY:  
    1. 仿真 lg)jc3  
    以光线追迹对单色仪核校。 Y)kO"  
    2. 研究 n%o"n?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。 i ez@j  
    3. 应用 J2\%rb,  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ~_SoP  
    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。 >wiW(Ki}  
     xEt".K  
    应用示例详细内容 Ww9%6 #i t  
    系统参数 Sm6hyZFy  
     "*E#4e[  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 0Q^a*7w`8a  
    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。 *~~&*&+  
    T %   
     O?<R.W<QI  
    jmgU'w-s  
    2. 系统参数 a}~Xns  
     Q;]g9T[)  
    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。 0/7y&-/(  
    ][ri A  
     ''+6qH-.|]  
    2b|$z"97jj  
    3. 说明：平面波(参考) 9>y6zFTV  
    XU f]gQu3=  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 `m N*"1p-  
    T~shJ0%  
     f9A^0A?c  
    :JBvCyj4PE  
    4. 说明：双线钠灯光源 rQ0V3x1"Qx  
    }yde9b?F  
    gv7(-I  
     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。 e0i&?m  
     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)。 h?f)Bt}ry  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ,uEi*s>  
    &&Sl0(6x[T  
     ~-r*2bR  
    gwvy$H   
    5. 说明：抛物反射镜 mlolSD;7  
    1aC ?*,e?  
    &|t*9 D  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 577H{;pW  
     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。 ~~h@(2/Q>x  
    %xE9vN;  
    `WDN T0@M  
    Mz}yf5{f  
     $_N<! h*\  
    E|!rapa  
    6. 说明：闪耀光栅 +" 4E:9P?  
    $7q'Be@{  
    '5V2{k$4U  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 ,(0q  
     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 ]|cL+|':y  
    !o.l:Mr  
    s_} 1J,Y  
    PxENLQ3a=  
     rYI9?q  
    ve.rp F\  
    7. Czerny-Turner 测量原理 Xz`?b4i  
     ]$)J/L(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。 cE S3<`[K  
    +'qzk>B  
     {b4+ Yc  
    _aOisN{  
    *Q bPz4,"  
    8. 光栅衍射效率 K9Dxb  
    RH+3x7 l  
    @C40H/dE  
     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。 W2Y%PD9a  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 {Z<4  
     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) z@hlN3dg  
     Yv!%Is  
    PE1F3u>O  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd B9;dX6c  
    V[>MKB(  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 (7w`BR9B  
     WTi8  
     L1#z'<IO  
    ;'!G?)PZ  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 \`?l6'!  
    0ts] iQ7  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 `mV&[`NZ  
    nunTTE,iq%  
     h%MjVuLn  
    c%Y%c2([  
     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)。 d *ch.((-  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 0?525^   
    \nM$qr'`B  
    应用示例详细内容 dM"Suw  
     3# G;uWN-  
    仿真&结果 e W&;r&26  
     5I9~OJ>  
    1. 结果：利用光线追迹分析 5tI4m#y2  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 24Lo .  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Fi.gf?d  
    7)sEW#d!  
     `HXP*Bp#  
    !\wdX7%  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 7r,'a{Rcn  
     z6e)|*cA$  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 )3g7dtq}  
     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)。 %O-RhB4q  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， W,~s0a!  
    z,/0e@B >  
     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。 4/; X-  
    Q*|O9vu'D  
     WJvD,VMz  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ]nE_(*w  
     MkJ}dncg*  
    3. 衍射效率的评估 6||zwwk'.  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 [wB-e~   
    k{ >rI2;  
     Ezw(J[).C  
    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。 OH~X~n-Z  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 9!sx  
     .])ubK_9  
    4. 结果：衍射级次的重叠 ( XYYbP  
     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。 seWYY $$  
     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)。 o"D`_ER  
     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。 {?*3Ou  
     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) X;ef&n`U0  
     光栅方程： pC,MiV$c"  
     :_v/a+\n  
    cQDn_Sjhi  
    pQr `$:ga  
    cQEK>aAd  
    5. 结果：光谱分辨率 j~!0n[F  
    oj*5m+:>a  
     8m Tjf Br  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run oeKI9p13\  
     )qs>Z?7  
    6. 结果：分辨钠的双波段 >*rsRR  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 nW2 fB8yq  
       P6w!r>?6N  
    C!xqp   
     prE~GO7Z  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 @f442@_4  
    [ 9)9>-  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run cl4`FU  
    l1}=>V1  
    7. 总结 <)c/PI[j  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 #W[/N|~wx  
    1. 仿真 @? 4-  
    以光线追迹对单色仪核校。 qk~ni8  
    2. 研究 $I&DAGV0  
    应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 HRO :U%  
    3. 应用 pk2OZ,14Mj  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 `Q?rQ3A}  
    可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 uP bvN[~t  
    扩展阅读 to~Ap=E  
    1. 扩展阅读 nQ>?{"  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 9:zW$Gt&  
    "w ] Bq0  
     开始视频 ''P.~~ezr5  
    - 光路图介绍 } MBxfZ4I  
    - 参数运行介绍 _r+2o-ZR  
    - 参数优化介绍 {HPKp&kl  
     其他测量系统示例： MHo(j%I1E  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) t|q@~B :  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) L+y}hb r  
     
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