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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) \K55|3~R  
    "cj6i{x,~w  
    应用示例简述  K<6)SL4  
     G,3.'S,7  
    1.系统说明 =[`B -?  
     s: pmB\  
    光源 qYF150  
    — 平面波(单色)用作参考光源 Gg$4O8  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) J4"?D9T3G  
     组件 yp9vgUs  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 @T)kqT  
     探测器 M8(N9)N  
    — 功率 wO.T"x%X  
    — 视觉评估 gw O]U=Y  
     建模/设计 :"{("!x   
    — 光线追迹：初始系统概览 K+|G9  
    — 几何场追迹+(GFT+)： LYhjI  
     窄带单色仪系统的仿真 N.(wR  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 rU/8R'S  
    *QH~ z2:[  
    2.系统说明 #:[^T,YD0  
    #|-i*2@oR  
     D6N 32q@  
    \8Y62  
    3.系统参数 <!;NJLe`  
    .:r l<.  
     *{<46 0`!q  
    }-/oL+j  
    L+ K,Y:D!W  
    4.建模/设计结果 wNvq['P  
     #V9do>Cu%  
    zoibinm}Eg  
     _*w kTI+j  
    总结 ,4mb05w;d  
     9s4>hw@u  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 =C#22xqQ.  
    1. 仿真 I+eKuWB  
    以光线追迹对单色仪核校。 p54 e'Zb  
    2. 研究 \ORE;pG  
    应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 o)WzZ,\F^J  
    3. 应用 c8h71Cr  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 QC Jf   
    可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 pnpf/T{xpM  
     m^$KDrkD  
    应用示例详细内容 e'X"uH Xt.  
    系统参数 }xJ!0<Bs  
     (j&7`9<5  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 a|-B#S  
    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。 7V%b!R}  
    6m0- he~  
     \SooIEl@  
    Bq~?!~\?.  
    2. 系统参数 H2{&da@D5  
     Rhzcm`"  
    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。 b\vL^\bX8  
    MZt&HbD-  
     T,uJO<  
    vv1W<X0e<  
    3. 说明：平面波(参考) & &:ZY4`  
    ,-V7~gM%}  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 oz'^.+uvE  
    D26A%[^O  
     Q[ .d  
    l8 XY  
    4. 说明：双线钠灯光源 9u1Fk'cxG,  
    ]m\:XhI*<  
    i}kMo@  
     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。 gcF V$  
     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)。 J%P{/nR  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 L[Y|K%;~  
    xHaoSs*C9  
     O7xBMqMf  
    6AKT -r.  
    5. 说明：抛物反射镜 ^ 20x\K  
    (RLJ_M|;/b  
    5wI j:s  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 h5ZxxtGU  
     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。 Ip*[H#h  
    <xAlp;8m5  
    sx][X itR+  
    1A{iUddR  
     8Og)(BC  
    }J] P`v  
    6. 说明：闪耀光栅 EakS(Q?  
    ?sbM=oo  
    l?zWi[Zf  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 {ud^+I&  
     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 B:tGD@  
    MJ~)CiKgN  
    V2*m/JyeB  
    3L%g2`  
     o88Dz}a  
    23gJD8i8  
    7. Czerny-Turner 测量原理 ?]2OT5@&s  
     #mbl4a  
    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。 -1 _7z{.  
    E3E$_<^  
     g<PdiVp+  
    2O)2#N  
    f n'N^  
    8. 光栅衍射效率 2s8(r8AI  
    Y\ G^W8  
    -cnlj  
     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。 gb@ |\n  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 Yq%D/dU8  
     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) 7x :j4  
     o!M*cyq  
    1@A*Jj[R%  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd fY9/u=  
    7`6JK  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 c}g:vh  
    sYY=MD  
     [8C6%n{W  
    [EV}P&U  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 P;!4 VK  
    m 1lfC  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 7<%Rx19L*  
    {cBLm/C  
     L8j#l u  
    wq"AWyu  
     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)。 =m= utd8  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 },5_h0  
    $[P>nRhW  
    应用示例详细内容 O@bDMg  
     P=9Zm  
    仿真&结果 a4M`Bk;mb  
     {bvm83{T  
    1. 结果：利用光线追迹分析 _;+N=/l0  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 6axm H~_  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 y3!=0uPf  
    k6 f;A  
     X*'-^WM6  
    s(I7}oRWsL  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd (FAd'$lhX}  
     tEl4 !v A  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ?$^qcpJCp  
     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*c  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， -j_J 1P0,  
    hOx">yki  
     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。 t9()?6H\  
    ~4iI G}Y<  
     ; (+r)r_  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms $|YIr7?R  
     uOrvmb  
    3. 衍射效率的评估 7o+!Gts]  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 %?EOD=e =  
    "ppT<8Qi'  
     S!n 9A  
    比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 D4r5wc%  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 'gojP  
     FZ/l T-"  
    4. 结果：衍射级次的重叠 <nj[=C4v  
     因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 %zyMWC  
     VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 (K+TqJw  
     0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 [#td  
     通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) 3Fn26Ri j  
     光栅方程： [lA[w Cw  
     Tc)T0dRP  
    8Db~OYVJG  
    D.<CkD B  
    0{Kl5>Z9M  
    5. 结果：光谱分辨率 T}[W')[s  
    W &4`eB/4}  
     IR%a+;Xs  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run rA9x T`  
     Em@h5V  
    6. 结果：分辨钠的双波段 h ;5 -X7  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 EBM\p+x&  
       FV$= l %  
    r[Q$w>  
     fwAN9zs  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 9MLvHrB;  
    `z)!!y  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run RQ{w`> K  
    M Zw%s(lv  
    7. 总结 {7eKv+30  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 @\!wW-:A  
    1. 仿真 DcbL$9UI  
    以光线追迹对单色仪核校。 ^^?DYC   
    2. 研究 ;^DUtr ;  
    应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 BdO$  
    3. 应用 L238l  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 (4 {49b  
    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。 9v cUo?/  
    扩展阅读 .3|9 ~]  
    1. 扩展阅读 Ti3BlWQH  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 X_'.@q<!CV  
    aG}9Z8D  
     开始视频 .4!N #'  
    - 光路图介绍 f aO8 &  
    - 参数运行介绍 P>@`hZ9 o  
    - 参数优化介绍 Xe+&/J5b  
     其他测量系统示例： +X*`}-3  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) _;B!6cRLps  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Xq>e]#gR  
     
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