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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: 2023-04-11
    测量系统(MSY.0003 v1.1) D+sQPymI  
    @RGDhwS47  
    应用示例简述 wK ?@.l)u  
     ?`"n3!>bS  
    1.系统说明 #{$1z;i?f  
     *YtB )6j  
    光源 ([R")~`(l2  
    — 平面波(单色)用作参考光源 X4wH/q^  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) _ 5"+Dv  
     组件 t<638`{kk  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 T|;@ T^  
     探测器 q8>t!rh<R  
    — 功率 N}b^fTq  
    — 视觉评估 ;~+]! U  
     建模/设计 *0y{ ~@  
    — 光线追迹：初始系统概览 S8" f]5s  
    — 几何场追迹+(GFT+)： ~~nqU pK?v  
     窄带单色仪系统的仿真 nBz`q+V  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 :+ Jt^ 6  
    u7s"0f`  
    2.系统说明 #G#g|x*V  
    Icx7.Y  
     Nu^p  
    sI,W%I':d  
    3.系统参数 +q{[\#t5  
    $6h*l T<  
     E]I$}>k  
    "AC^ rz~U  
    A]o4Mf0>I  
    4.建模/设计结果 3[d>&xk@$  
     E.`6oX\L|  
    q0&$7GH4  
     yZCX S  
    总结 V`#.7uUP  
     HYCuK48F[_  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 %S@L|t  
    1. 仿真 8(f:U@BS  
    以光线追迹对单色仪核校。 6na^]t~ncm  
    2. 研究 'yY>as  
    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。 ""% A'TZ  
    3. 应用 8'#/LA[uPe  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 epg#HNP7^Y  
    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。 $q_R?Eay  
     J?&l*_m;t  
    应用示例详细内容 i"r!w|j  
    系统参数 }%TPYc  
     7 oQ[FdRn*  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 )Si2 u5  
    Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 ,"\@fwy{  
    R>/ NE!q  
     3j Z6kfj  
    mr:CuqJ  
    2. 系统参数 2;2}wM[  
     Kibr ]w  
    元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 d0'HDVd  
    #_i`#d)  
      ?K_ '@  
    *\G)z|^yx  
    3. 说明：平面波(参考) ~P .I<  
    r;&>iX4B  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 T{+Z(L  
    W-efv  
     *L4`$@l8  
    |7k_N|E  
    4. 说明：双线钠灯光源 T;5r{{  
    Q~{H@D`<  
    Oz: *LZ  
     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。 2`G OJ,$  
     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)。 &;&ho+qD  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 TZR)C P5  
    [ic870_  
     _)T5lEFl=  
    '' O7=\  
    5. 说明：抛物反射镜 =O).Lx2J  
    ` Ag{)  
    7!WA)@6  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 v59dh (:`Z  
     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。 )3Z ^h<"j  
    (QoI<j""  
    aJ") <_+  
    6 Orum/|h  
     %a+mk E  
    !K f#@0E..  
    6. 说明：闪耀光栅 4%nE*H%  
    R_XR4)(<  
    l vMlL5t  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 *!s;"U  
     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 y){ k3lm0  
    scLn=  
    #9-P%%kQ  
    C CBfKp  
     ?T9(Vw  
    #txE=e"&o  
    7. Czerny-Turner 测量原理 jB{4\)  
     TJ q~)Bm  
    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。 7Mb# O_eh  
    AP77a*@8  
     R}^~^#  
    %LVm3e9  
    s<qe,' Y  
    8. 光栅衍射效率 $YN6<5R)  
    0U%f)mG  
    z9FfU  
     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。 T}V!`0vKw  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ]QzGE8jp*  
     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) wr[,  
     3s/H2f z  
    <B9C*M"4%  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd KMI_zhyB  
    Llr>9(|  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 B2-V@06  
    yKYTi3_(  
     /"eey(X  
    JSW^dw&  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 u%w`:v7Yo(  
    =c/wplv*  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 N[<\>Ps|u  
    bGc~Wr|  
     $STaQ28C  
    { ^cV lC_  
     增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 ?b(=1S\E'^  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 6Yx4lWBR?  
    gb H<]?  
    应用示例详细内容 xuqv6b.  
     9 FB19  
    仿真&结果 {q"OM*L(  
     DRcNdO/1E  
    1. 结果：利用光线追迹分析 RhncBKm*M  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 e" St_z(  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 O^oWG&Y;v  
    ^s|6vd;PD=  
     D9 g#F f6  
    0u;4%}pD  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd a!=D[Gz*5  
     .&DhN#EN0  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 7Zlw^'q$:L  
     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)。 KET2Ws[w  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， \O2Rhz  
    Mu+0<>   
     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。 '.:z&gSqx0  
    vEJWFoeEFm  
     uScMn/%  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms #ZB~ x6i6  
     '<"s \,  
    3. 衍射效率的评估 C{U?0!^  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 }H^+A77v  
     # 1OOU  
     vSEuk}pk  
    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。 U~:-roQ(\  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ;U-jO &  
     <0Xf9a8>  
    4. 结果：衍射级次的重叠 5>[u `  
     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。 1q7|OWFT  
     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)。 [ CQ+p!QZ  
     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。 'Gj3:-xqL  
     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) PvPOU"  
     光栅方程： 4K\G16'$v  
     ~E17L]ete  
    fU/>z]K  
    fdFo#P  
    VK m&iidU  
    5. 结果：光谱分辨率 fD[*_^;h)  
    +S o4rA*9  
     Q'=x|K#xj  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run d3\qKL!~  
     EJMM9(DQ7  
    6. 结果：分辨钠的双波段 |fK1/<sz#  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ,Lr. 9I.  
       NPy&OcRl  
    v[1aW v:  
     "~sW"n(F_  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 KcWN,!G  
    wW>A_{Y  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run J')o|5S1N  
    @>,^":`#  
    7. 总结 akp-zn&je  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ?9 <:QE;I>  
    1. 仿真 >mwlsL~X  
    以光线追迹对单色仪核校。 0"<H;7K#W  
    2. 研究 'DP1,7  
    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。 $V -~Bu-  
    3. 应用 wr$("A(  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ?:Uv[|S#>  
    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。 3l rT3a3vV  
    扩展阅读 'j#*6xD  
    1. 扩展阅读 dqU~`b9  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 "g5^_UP  
    9+Np4i@  
     开始视频 |jGf<Bf5  
    - 光路图介绍 J!dm-L  
    - 参数运行介绍 }T(D7|^R  
    - 参数优化介绍 <sb~ ^B  
     其他测量系统示例： P) Jgs  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) n\mO6aJ  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ]E5o1eeg  
     
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