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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~CdU  
    tw-fAMwU  
    应用示例简述 DQMPAj.  
     _2#zeT5  
    1.系统说明 Jxn3$  
     A1=_nt)5  
    光源 %`eJ66T  
    — 平面波(单色)用作参考光源 fqN75['n  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) PqVW'FYe  
     组件 KjBOjD'I  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 keaj3#O  
     探测器 &0JK38(  
    — 功率 v7L"`  
    — 视觉评估 ?Q;kZmQl  
     建模/设计 ;m' '9z)2  
    — 光线追迹：初始系统概览 MSK'2+1T@g  
    — 几何场追迹+(GFT+)： Q:pzL "bT  
     窄带单色仪系统的仿真 =?HzNA$yh  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ,TEuM|  
    & &6*ez  
    2.系统说明 ^l--zzO 8l  
    epn#qeX  
     @81-kdTx  
    #UBB lE#  
    3.系统参数 G l_\Vy  
    Q js2hj-$  
     W=UqX{-j)  
     oHOW5  
    AfUZO^<  
    4.建模/设计结果 & { DR 6  
     I/Sv"X6E  
    qw|JJ  
     *X~B-a|nJ  
    总结 r|*:9|y{"/  
     HOq4i !  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 pF|8OB%  
    1. 仿真 qZXyi'(d  
    以光线追迹对单色仪核校。 \{[D|_   
    2. 研究 %)8d{1at  
    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。 m dC`W&r  
    3. 应用 sS-W~u|C  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 y+?=E g  
    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。 CdDH1[J  
     kNRyOUy  
    应用示例详细内容 >vHH  
    系统参数 c/b%T  
     {cmo^~[L$  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 RV( w%g  
    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。 ]Mn&76 fu  
    y*}AX%8`e~  
     cT_uJbP+  
    mr@_ %U  
    2. 系统参数 sk~za  
     U&,r4>V@h>  
    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。 F='Xj@&O  
    B{;11 u  
     wDB)&b  
    NR ;q`Xe-  
    3. 说明：平面波(参考) Q.r B\8ea  
    uFGv%W  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 N =x]A C,  
    4Sg<r,G  
     ;>inT7?3|  
    #D/$6ah~m  
    4. 说明：双线钠灯光源 -zPm{a  
    BXT 80a\  
    RcY6V_Qx  
     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。 L.SDMz  
     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)。 UVc>i9,0  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 L v  
    JCM)N8~i  
     \#uqD\DE  
    R'vdk<  
    5. 说明：抛物反射镜 QV`X?m  
    g@$0FY{Q  
    %2^['8t#NH  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 JOA%Y;`<#  
     出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 U,oD44  
    |hu"5*  
    j'G"ZPw1  
    &z./4X  
     + #|'|}j  
    Rg%R/p)C  
    6. 说明：闪耀光栅 D /,|pC  
    L@C >-F|p  
    N5:D8oWWXR  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 #B}BI8o (  
     通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 lH6Cd/a  
    [37f#p  
    VFe-#"0ZO  
    Xulh.: N}  
     )v*v  
    gg lNpzj  
    7. Czerny-Turner 测量原理 P Xyyyir{  
     `l HKQwu  
    通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 OU0xZ=G  
    vG'vgUo  
     0!3!?E <  
    wo,""=l  
    Jm{As*W>  
    8. 光栅衍射效率 F!z! :yp  
    OhA^UP01-  
    27h/6i3  
     VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 yrxx+z|wR  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ?TL2'U|M  
     3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) =2ATqb"$w  
     S+` !%hJ  
    >i><s>=I`  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd w3>Y7vxiz`  
    asm[-IB2u  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 UiGUaBmF*  
    htdn$kqG   
     w]]x[D]L  
    !Szgph"ul  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 x9XGCr  
    |Fh`.iT%c  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 @B>%B EC  
    puf;"c6e'  
     = y,yQO  
    4fU5RB7%  
     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)。 h=p-0 Mx .  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 dpc=yXg>"c  
    ?z4uze1  
    应用示例详细内容 ByB0>G''.  
     ;X9MA=b  
    仿真&结果 oKMg7 3*  
     S`'uUvAA  
    1. 结果：利用光线追迹分析 ,M+h9_&0?  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 EmBfiuX  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 KweHY,  
    >mGGJvTx  
     z- {"pI  
    O*+w_fox  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd I'6 ed`|  
     K|Ij71  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 Poylq] F  
     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)。 ^<5^9]x  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， FZ}C;yUPD  
    c'wU O3S  
     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。 sDh6 Uk  
    x""Mxn]gD  
     G`3vH,  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms =t>`< T|(  
     )}zA,FOA*  
    3. 衍射效率的评估 $F /p8AraK  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 +kdU%Sm  
    ,XF6Xsg2  
     FdK R{dX}  
    比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 ggYIq*4  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 'amex  
     9N3oVHc?  
    4. 结果：衍射级次的重叠 ,2:L{8_L  
     因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 XTn{1[.O  
     VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 ,_X,V!  
     0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 jy)9EU=  
     通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) -7A!2mRiz  
     光栅方程： 0I AaPz/e  
     5G]#'tu  
    (*^E7 [w  
    wxr}*Z:ZMa  
    YM4U.! 4o  
    5. 结果：光谱分辨率 KG./<"c  
    0"D?.E"$r  
     Lu$:,^ C  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ",,qFM!  
     %/,Uk+3p  
    6. 结果：分辨钠的双波段   !AD,  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 f"}14V  
       iz|9a|k6x  
    oR%E_g?mI~  
     A<G ;  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 66y,{t  
    R/KWl^oNj  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run oCru5F  
    %L=h}U13  
    7. 总结 o@V/37!  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 3By>t!~Q  
    1. 仿真 -B++V  
    以光线追迹对单色仪核校。 ,C12SM*@  
    2. 研究 vXWESy  
    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。 ;U:o'9^9T  
    3. 应用 :ftyNaq'  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 qcoZ2VJ hh  
    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。 &wWGZ~T  
    扩展阅读 fVe-esAw  
    1. 扩展阅读 =P+wp{?AN|  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 '1T v1  
    N 7|W.(  
     开始视频 74!JPOpQH  
    - 光路图介绍 sT8kVN|Uv  
    - 参数运行介绍 'bqf?3W  
    - 参数优化介绍 Q?'W >^*J  
     其他测量系统示例： B 0fo[Ev  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ^L2Zo'y [  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Z-r0 D  
     
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