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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) kT]jJbb"  
    DZ1.Bm0  
    应用示例简述 E,dUO;  
     `EfFyhG$  
    1.系统说明 3}8L!2_p  
     N ]14~r=  
    光源 `\P1Ff@z0  
    — 平面波(单色)用作参考光源 `Z#':0Z  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) |#{ i7>2U  
     组件 ?~IdPSY  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 K-"`A.:S  
     探测器 ujl ?!  
    — 功率 '? -N  
    — 视觉评估 |3~]XN-  
     建模/设计 +]( #!}oH  
    — 光线追迹：初始系统概览 [c -|`d^  
    — 几何场追迹+(GFT+)： <$pv;]n  
     窄带单色仪系统的仿真 $BT[fJ'k  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 >$yA ,N  
    :xTm- L  
    2.系统说明 o~W,VhCP  
    B'mUDW8\D  
     k ]T  
    azNv(|eeJL  
    3.系统参数 #z70:-`.[M  
    H+5+;`;  
     j6};K ~N`  
    WMW=RgiW\  
    oX*;iS X  
    4.建模/设计结果 uix/O*^  
     4\nG Wi{2  
    \YFM5l;IU  
     LE)$_i8gX  
    总结 C@[U:\  
     fP6.  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 H:9G/Nev  
    1. 仿真 \{!,a  
    以光线追迹对单色仪核校。 z;?j+ZsdH  
    2. 研究 Ycx}FYTY  
    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。 eE=2~ ylU  
    3. 应用 Ud2Tn*QmI  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 `iN\@)E  
    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。 9[W >`JKo  
     q9PjQ%  
    应用示例详细内容 lzz;L z  
    系统参数 &r*F+gL  
     \t/0Yh-'  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 qJf\,7mi  
    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。 $.:x3TsA  
    {~j/sto-:  
     I.(@#v7T  
    2_6ON   
    2. 系统参数 x,cvAbwS  
     5W&L cBB  
    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。 ]h&1|j1  
    jN'h/\  
     WC37=8mA  
    $-~"G,;F  
    3. 说明：平面波(参考) ;"ESN)*|i  
    km][QEXs%  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 tJn"$A ^N  
    b62B|0i  
     Q4/BpKL  
    5~T+d1md  
    4. 说明：双线钠灯光源 $~/cxLcT  
    m[iQ7/  
    dLF*'JjY  
     为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 ='=4tj=z  
     双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 6Z' K1  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 z*q+5p@~  
    ;+|Z5+7!6  
     rnQ_0d  
    a j$& 9][  
    5. 说明：抛物反射镜 INp:;  
    p >ua{}!L  
    W[a"&,okqO  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 W,[QK~  
     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。 }&v-<qC^  
    f-|zh#L  
    ]4V1]  
    (xWsyo(4  
     2<p@G#(  
    surNJ,)  
    6. 说明：闪耀光栅 bu<d>XR  
    %n8CK->  
    %6rSLBw3  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 mvc ;.+  
     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 {^(uoB C/  
    j}s/)}n|  
    <?}pCX/O  
    C& XPn;f  
      qsXkm4  
    2 'D,1F  
    7. Czerny-Turner 测量原理 %eW7AO>  
     dT% eq7=  
    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。 jF j'6LT9/  
    DO~[VK%|  
     _G@Z n[v  
    p8@8b "  
    WLw i  
    8. 光栅衍射效率 2p#d  
    "aI)LlyCY  
    :t9![y[=|  
     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。 `w`N5 !  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ~<O.Gu&"R  
     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) OHj>ufwVq  
     bc~$"  
    sJ^Ff  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd (|o @  
    8-7Ml3G*  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 3)LS#=  
    vE8'B^h1  
     , %8)I("  
    +/eJ#Xw3u8  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ; S$  
    \v\ONp"  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 S{8-XiL,  
    YQFz6#Ew  
     NIQ}+xpC  
    =_iYT044p  
     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)。 jPZ+~:m+  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 GHn0(o&K  
    z"\w9 @W  
    应用示例详细内容 Rx"+i0  
     eN </H.bm]  
    仿真&结果 \b"|p%CL8  
     'nh2}  
    1. 结果：利用光线追迹分析 bpU> (j  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 '%ZKvZ-  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 zjcSn7iu  
    fQU_:[ Uz  
     )B&`<1Oie  
    SFtcO  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 9W\"A$;+&  
     r#1W$~?>  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 pM+9K:^B  
     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)。 }a, ycFt  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 2Og5e  
    n{L^W5B  
     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。 tN4&#YK<  
    \?Z7|   
     x0{B7/FN  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms KaOXqFT=  
      "$J5cco  
    3. 衍射效率的评估 N#RC;  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 XRQ1Uh6  
    %g5#q64  
     YIZu{  
    比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 LWhy5H;Es  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd  E^5  
     fibudkg'>  
    4. 结果：衍射级次的重叠 Qnt }:M+  
     因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 X )Tyxppf'  
     VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。  !O`j  
     0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 P2`F" Qsq  
     通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) RyukQY~<W  
     光栅方程：  q"T?  
     m{Uh{G$  
    4ME$Z>eN  
    2_3os P\Z  
    tq~f9EvC  
    5. 结果：光谱分辨率 <o3I<ci6  
    g{sp<w0  
     2^Im~p~ByE  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 4Y3@^8h&=  
     `W_&^>yl  
    6. 结果：分辨钠的双波段 [Y.JC'F#  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 rr(kFQ"  
       n{~&^Nby*I  
    `^on`"\{u  
     Kf(Px%G6K  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 rwW"B  
    )G, S7A  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run }1V+8'D  
    sGNHA( ;  
    7. 总结 NJd4( P  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 A['(@Bz#7~  
    1. 仿真 9eP*N(m<  
    以光线追迹对单色仪核校。 nSQ]qH&4d  
    2. 研究 62.Cq!~  
    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。 "%dENK  
    3. 应用 b%"/8rK  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 $RF.LVc  
    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。 XUR#|  
    扩展阅读 {c]dz7'?  
    1. 扩展阅读 -Q Mwtr#q}  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 s?1Aj<  
    IN#/~[W  
     开始视频 5?Q5cD2]\6  
    - 光路图介绍 x30|0EHYl[  
    - 参数运行介绍 B%tj-h(a  
    - 参数优化介绍 mRyf+O[  
     其他测量系统示例： QZ7W:%r(4  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) +Lc+"0*gV*  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) a Iyzt  
     
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