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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) Lm%:K]X  
    02 c':a=7  
    应用示例简述 be.*#[  
     W"k"I vTW}  
    1.系统说明 <J) ]mh dm  
     As'=tIro  
    光源 P GqQ@6B  
    — 平面波(单色)用作参考光源 aDU<wxnSvO  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) E|iQc8gr&  
     组件 qm/)ku0  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 N sXHO  
     探测器 Q+[n91ey**  
    — 功率 M/b Sud?@%  
    — 视觉评估 ]s<[D$ <,  
     建模/设计 AE[b},-[  
    — 光线追迹：初始系统概览 e"|efE  
    — 几何场追迹+(GFT+)： JMC. w!  
     窄带单色仪系统的仿真 4h|c<-`>t  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ;r<^a6B  
    X $jWo@  
    2.系统说明 6^]+[q}3  
    y [}.yyye  
     =;Au<|  
    vS;RJg=  
    3.系统参数 Hj^1or3R]  
    H#,W5EJzM  
     >qnko9V  
    0X6YdW_2X  
    geru=7  
    4.建模/设计结果 ]cHgleHQ  
     =$'6(aDH  
    ; ZA~p  
     j()7_  
    总结 p`olCp'  
     P3x8UR=fS  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 _kef 0K6  
    1. 仿真 b RFLcM  
    以光线追迹对单色仪核校。 3l rT3a3vV  
    2. 研究 glO^yZs  
    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。 ~Y^+M*   
    3. 应用 Ni9/}bb  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 9+Np4i@  
    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。 |jGf<Bf5  
     -_=nDH  
    应用示例详细内容 f,U.7E  
    系统参数 \V;F/Zy(  
     L>jY.d2w=K  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ` Fa~  
    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。 $*^7iT4q_t  
    ]E5o1eeg  
     D+TD 95t  
    03$mYS_?  
    2. 系统参数 )1?y 8_B  
     ?+))}J5N\  
    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。 T6\[iJI|  
    Ytn9B}%o  
     >^u2cAi3[  
    hNC&T`.-~B  
    3. 说明：平面波(参考) zO-z%y  
    /CrSu  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 qqjwJ!@P  
    is?{MJZ_  
     ?g_3 [Fk  
    OIGY`   
    4. 说明：双线钠灯光源 IPS4C[v  
    G<L;4nA)  
    {5Q!Y&N.%  
     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。 ~n moz/L  
     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)。 x+\`gK5  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 Amtq"<h9a  
    #|uCgdi  
     5?f ^Rz  
    ) ;EBz  
    5. 说明：抛物反射镜 /p/]t,-j2  
    t*p71U4+I  
    2R[:]-b  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 (Lbbc+1m  
     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。 ]_)yIi"  
    j`EXlc~  
    GV1pn) 4  
    dB{Q" !  
     vx{}}/B]J  
     CT&|QH{  
    6. 说明：闪耀光栅 V.U| #n5  
    % aP!hy  
    l5~os>  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 u2tfF  
     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 EfqX y>W  
    T~-ycVc  
    m&d|t>3<  
    F|`Hm  
     2_>N/Z4T  
    R7%#U`Q^A  
    7. Czerny-Turner 测量原理 Jx:Y-$  
     \P[Y`LYL  
    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。 C2!|OQ9A2  
    =0 #O U  
     Lw1Yvtn  
    G0Iw-vf  
    wH*-(*N "  
    8. 光栅衍射效率 d z|or9&  
    BT !^~S%w  
    1Yq!~8  
     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。 b 1c y$I  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 a,,exi  
     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*eV@KK!  
     "MeVE#O  
    `>o{P/HN  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 8|gIhpO?^  
    9+|$$)  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 U4'#T%*  
    $t+,Tav  
     ~g91Pr   
    XPc^Tq  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 l]5K N  
    N%@Qf~  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 G/E+L-N#`  
    xo^b&ktQd  
     l$KA)xbI  
    A`%k:@  
     增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 J0WxR&%a)  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 )$2QZ qX  
    -_g0C^:<,  
    应用示例详细内容 \doUTr R  
     '@v\{ l  
    仿真&结果 #~]zhHI  
     4> K42m  
    1. 结果：利用光线追迹分析 C[cbbp  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 `7E;VL^Y1  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 ZvM(Q=^  
    WCZjXDiwJ  
     ]h`&&Bqt  
    )MVz$h{c.]  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd u[;\y|75  
     +fB5w?Rg  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 zaIKdI'/e  
     通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 tAd%#:K  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， LVM%"sd?  
    dlh)gp;  
     通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 >b}o~F^J  
    mthA4sz  
     g{)dP!}  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms :LQYo'@yB  
      tU5zF.%  
    3. 衍射效率的评估 QW~E&B%  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 KAJi  
    1ba~SHi  
     B:Oa}/H   
    比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 "]*&oQCI  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 9.M4o[  
     F~vuM$+d  
    4. 结果：衍射级次的重叠 yWc$>ne[L  
     因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 J1U/.`Oy  
     VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 !PlEO 2at  
     0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 2 RX;Ob_  
     通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) HyQJXw?A:  
     光栅方程： ]jQutlg|  
     qBQ?HLK-  
    iq8<ov  
    &m7]v,&  
    i^&~?2  
    5. 结果：光谱分辨率 <$$yw=ef  
    H2 {+)  
     2a)xTA#  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ^Z+?h &%%  
     h2A <"w  
    6. 结果：分辨钠的双波段 76Cl\rV  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 7F7 {)L  
       |Zpfq63W  
    (,\+tr8r8  
     B]wk+8SMY.  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 |A~jsz6pI  
    {]!mrAjD  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run re?,Wext\  
    9&2O 9Nz6  
    7. 总结 !Pvf;rNI1T  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 4B1v4g8}  
    1. 仿真 %XDc,AR[  
    以光线追迹对单色仪核校。 /t57!&  
    2. 研究 5lmHotj#  
    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。 TER=*"!  
    3. 应用 ? (Oy\  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 7>0o&  
    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。 z, )6"/;  
    扩展阅读 \ZFGw&yN  
    1. 扩展阅读 <c-=3}=U\  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 %nZo4hnr$r  
    H5B:;g@  
     开始视频 .GXBc  
    - 光路图介绍 wk D^r(hiH  
    - 参数运行介绍 iN\4gQ!  
    - 参数优化介绍 X/!o\yyT  
     其他测量系统示例： F#Ryu~,"  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 8I?Wt W  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) {hjhL: pg  
     
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