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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) 9SPu 4i  
    f}apn=  
    应用示例简述 c1`o3gb  
     .jCdJ =z  
    1.系统说明 l},%g%}iMU  
     6T-(GHzfHJ  
    光源 "elh~K  
    — 平面波(单色)用作参考光源 o|+tRl  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) wv<"W@& 9  
     组件 KH;e)91  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Oj:`r*z43  
     探测器 EQ28pAZ  
    — 功率 *VH1(E`hl  
    — 视觉评估 =<g\B?s]  
     建模/设计 Ul=`]@]]  
    — 光线追迹：初始系统概览 1#'wR3[+  
    — 几何场追迹+(GFT+)： l6&R g-  
     窄带单色仪系统的仿真 by {~gu  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 loZfzN&6A  
    vn8Ez6<27  
    2.系统说明 mp#5V c  
    ()7=(<x{  
     aU3&=aN+  
    GXAcy OV  
    3.系统参数 ,Yo In  
    GcKJpI\sB  
     e1H.2n{y^  
    ' o 5,P/6  
    .JzO f[g5  
    4.建模/设计结果 .(sT?M`\J  
     fROhn}<**[  
    D@2Tx  
     kxKBI{L  
    总结 9+L! A  
     =$HzEzrw  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ^x q%P2s0  
    1. 仿真 k8h$#@^  
    以光线追迹对单色仪核校。 ,xGlWH wrY  
    2. 研究 4[6A~iC_  
    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。 cD{[rI E3  
    3. 应用 k -SUp8}g  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 UZ<!(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。 W4Eo1 E  
     -i58FJ`B  
    应用示例详细内容 +%FG ti$[  
    系统参数 [p]Ayo$~  
     W2n%D& PE  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪  @]A4{  
    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。 I3SLR  
    K$rH{dUM  
     nGRF< 2!  
    }C)   
    2. 系统参数 %N!Y}$y  
     Q<"zpwHR  
    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。 \ Xuu|]  
    Q tRKmry{  
     D[U5SS!)  
    9m<>G3Jr  
    3. 说明：平面波(参考) M'*  Y  
    + ('jqbV  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 {4#'`Eejj  
    75{QBlf<  
     ^oA^z1>3  
    Fm*O&6W\@A  
    4. 说明：双线钠灯光源 ]92@&J0w  
    vK|d P3  
    5HmX-+XpK  
     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。 Lx2.E1?@  
     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)。 3C.bzw^  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 xHI>CNC,  
    oZ!rK/qoA  
     N>VA`+aFR  
    [_${N,1  
    5. 说明：抛物反射镜 m%m8002  
    p=eSHs{>A  
    Al 0zL  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 3 bGpK9M~  
     出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 aWW|.#L  
    AWGeK-^  
    7Sr7a {  
    C7,Ol0`v  
     2E;*kKw[  
    ~`T3 i  
    6. 说明：闪耀光栅 7j{SCE;  
    "]`!#5j^WP  
    g3j@o/Y  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 kyz_r6  
     通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 a&|aK+^8;  
    v dyu=*Y  
    zZseK  
    ]*Zg(YA  
     ><5tnBP|+L  
    5G= 2=E  
    7. Czerny-Turner 测量原理 <T<?7SE+  
     eZT923tD  
    通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 u9QvcD^'z  
    uQ. m[y  
     {dhGSM7  
    #%Uk}5;-  
    O0c#-K.f  
    8. 光栅衍射效率 }JoCk{<31  
    &.;tdT7  
    /N]?>[<NW  
     VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 O$LvHv!  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 h )fi9  
     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) u-yQP@^H  
     #:e52=  
    D?;$:D"  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd H5{d;L1[  
    8ZE{GX.m2c  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 PJsiT4<  
    TnCN2#BO  
     ^LX1&yT@  
    a>G|t5w  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 N)WAzH  
    :"|}oKT%mP  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 he;&KzEu  
    /9QI^6& SX  
      =6Ihk  
    ,?P@ :S<8  
     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)。 Rku9? zf^  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 &ScADmZP^d  
    +x\b- '  
    应用示例详细内容 XL1v&'HLV  
     @or&GcQ*  
    仿真&结果 |Qo;=~7  
     Nl"< $/  
    1. 结果：利用光线追迹分析 .'saUcVg:  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 d;daYjOm  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 HY4X;^hF  
    D9*GS_K2 t  
     ]g2Y/\)a  
    N=YRYU o  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd %(79;#2`  
     g@BQ!}_#5  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 3M=ym.  
     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)。 lU`]yL  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， Py3Xvudv  
    u_[s+ J/  
     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。 >gtKyn]  
    Y9F!HM-`  
     k4FxdX  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 3Sv<Viuo  
     CqDKQQ  
    3. 衍射效率的评估 NpG5$?  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 (,#Rj$W  
    '8R5?9"  
     &`[y]E'  
    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。 {f3&s4xj=  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd K4b# y~@  
     2"*7H S  
    4. 结果：衍射级次的重叠 fgVeB;k|  
     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。 /ldE (!^n  
     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)。 %8NAWDb{  
     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。 B#9rqC  
     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) Z6F>SL  
     光栅方程： n>T1KC%  
     c%9wI*l  
    -`x$a&}  
    P$?3\`U;  
    ~0aWjMc(>  
    5. 结果：光谱分辨率 f<bc8Lp  
    :oh(M|;/2  
     :SjTkfU  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run P#H|at  
     L5=Tj4`  
    6. 结果：分辨钠的双波段 uKHkC.g  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 )xYv$6=  
       /*\pm!]._^  
    JfS:K'  
     {Hxvt~P  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 iTJSW  
    '~Uo+<v$w  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run lX$6U| !  
    ICwhqH&  
    7. 总结 o7Ms]AblT  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 8q*MhH>6I  
    1. 仿真 '# K:e  
    以光线追迹对单色仪核校。 SZW+<X  
    2. 研究 C,T9xm  
    应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 T 7`9[  
    3. 应用 "X4L+]"$g  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 oxT..=-  
    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。 72@lDY4cE  
    扩展阅读 PI@/jh  
    1. 扩展阅读 A??(}F L  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 QB p`r#{I{  
    MN1 kR  
     开始视频 HPJ\]HV(  
    - 光路图介绍 3NRxf8  
    - 参数运行介绍 _): V7Zv  
    - 参数优化介绍 &Ohm]g8{2  
     其他测量系统示例： <j"}EEb^  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 0ant0<  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) dE R#)bGj  
     
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