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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: 2024-11-21
    测量系统(MSY.0003 v1.1) t Sf`  
    S}cm.,/w  
    应用示例简述 ua vv  
     Bx32pY  
    1.系统说明 5zH?1Z~*  
     x?|   
    光源 L3- tD67oa  
    — 平面波(单色)用作参考光源 $?u ^hMU=  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) W:16qbK  
     组件 u)fmXoQ  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 e RjpR?!\  
     探测器 W=EvEx^?%  
    — 功率 ul$YV9 [\  
    — 视觉评估 Q!VPk~~(  
     建模/设计 yegTKoY  
    — 光线追迹：初始系统概览 (_ElM>  
    — 几何场追迹+(GFT+)： KwiTnP!Dca  
     窄带单色仪系统的仿真 >_$DKY>$`  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 K}U}h>N  
    nUvxO `2  
    2.系统说明 ^KJIT3J(#  
    ZrFC#wJb  
     43Yav+G(+  
    |0mVK`  
    3.系统参数 $Y4;Xe=  
    !%?X% @9  
     l&4TfzkY  
    !:mo2zA  
    \Podyh/;?  
    4.建模/设计结果 |mfQmFF  
     ?Q]{d'g(sx  
    }I'g@Pw9[  
     "oYyeT ,?  
    总结 +BRmqJ3  
     Z?5kO-[  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 T }X#I'Z  
    1. 仿真 Rt<8 &.m4  
    以光线追迹对单色仪核校。 g(Jzu'  
    2. 研究 u9FXZK7  
    应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 qlSc[nEk  
    3. 应用 |Y!#`  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 !0~$u3[b  
    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。 XX,iT~+-  
     cRX0i;zag  
    应用示例详细内容 F}A@H<?  
    系统参数 g@.RfX=  
     u><gmp&  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 DLkNL?a  
    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。 ~3.1. 'A  
    */n)_  
     EW{z?/  
    V$+xJ  m  
    2. 系统参数 })|+tZ  
     |Q^Z I  
    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。 +'?p $@d  
     XGEAcN  
     Nf>1`eP  
    E {d Mdz  
    3. 说明：平面波(参考) s&p*.I]@>  
    "2X=i`rTi  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 Z^>[{|lIA  
    A:1O:LB=!  
     \CL |=8[2  
    a4X J0Tm  
    4. 说明：双线钠灯光源 dfe 9)m>  
    >UpTMEQ  
    F9ry?g=h  
     为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 Uq&ne 1  
     双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 j[yGfDb  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 vfJ}t#%UH  
    pc5-'; n  
     /!UuGm   
    ]YZ+/:#U7  
    5. 说明：抛物反射镜 #H(|+WEu  
    ( =->rP  
    ,*r"cmz  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 C8y 3T/G  
     出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 ~ -Rr[O=E  
    VY@uQ#&A  
    K GkzE  
    ,qpn4`zE~  
     d5]9FIj  
    0X-u'=Bs  
    6. 说明：闪耀光栅 <FMW%4   
    [b J/$A  
    *8U+2zgfC  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 (hd^  
     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 ^v3ytS  
    7(eWBJfTo  
    } O9q$-8!  
    h/`OG>./  
     FqQm *k_  
    /]T#@>('  
    7. Czerny-Turner 测量原理 EKk~~PhW 8  
     kYz)h  
    通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 'rRo2oTN  
    W{Ie(hf  
     H]Q Z4(  
    n<kcK  
    ^M  PU?k  
    8. 光栅衍射效率 :HRJ49a  
    B>t$Z5Q^X  
    Uq~{=hMX  
     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。 Q0!gTV  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 75@){ :  
     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) T^aEx.`O}`  
     "4H&wHhT!  
    06pLa3oi  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd f/?# 1  
    Z~~{!C+G  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ,2[laJ  
    }-)2CEj3L%  
     ~kYUp5f  
    K-)_1  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 Vur$t^zE  
    cuBOE2vB.  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 /P5w}n  
    22`W*e@6h  
     g[44YrRD  
    II)\rVP5  
     增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 m7^aa@^m  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 z6B/H2  
    s,"<+80%  
    应用示例详细内容 3) zanoYHi  
     .Frc:Y{  
    仿真&结果 .Hl]xI$;+  
     qWHH% L;  
    1. 结果：利用光线追迹分析 +e`f|OQ  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 e4yd n  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 $s4rG=q  
    o  <0f  
     X7?p$!M6;B  
    K\nN2y  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd dfiA- h  
     vmvk  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 rm;'/l8Y-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)。 "L|Ew#  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， U voX\  
    Tw)nFr8oF]  
     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.<bb6  
    7!#x-KR~5  
     {x W? v;  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 36*"oD=@  
     yaMNt}y-q  
    3. 衍射效率的评估 KF|+# qCN  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 &v Lz{  
    (#BkL:dg  
     Y _m4:9p  
    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。 ,@tkL!"9q  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd A)kx,,[  
     8E&}+DR?  
    4. 结果：衍射级次的重叠 $/Gvz)M  
     因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 @ JZ I  
     VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 cNtGjLpx;  
     0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 zu5'Ex`gQa  
     通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) A`T VV  
     光栅方程： UZi^ &  
     C~ t?<  
    L)a8W   
    bTHKMaGWC  
    h8Q+fHDYv  
    5. 结果：光谱分辨率 pzbR.L}'D  
    wdS^`nz|  
     U[*VNJSp  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run KoRJ'WW^  
     h$)(-_c3  
    6. 结果：分辨钠的双波段 (wEaa'XL  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 7*^-3Tt83  
       x9Fga_  
    ^ llZf$`  
     AqB5B5}  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 4*}[h9J}\  
    uM h[Ht^.  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run =@AWw:!:,  
    9h> nP8  
    7. 总结 ym9Z:2g  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 [9(tIb!x  
    1. 仿真 (MY#;v\AYE  
    以光线追迹对单色仪核校。 9un]}7^  
    2. 研究 OSQZ5:g|  
    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。 z6ISJb  
    3. 应用 veAg?N<c p  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 }l~|c{WH`  
    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。 _ui03veA1  
    扩展阅读 lYmqFd~p  
    1. 扩展阅读 $m,gQV~4  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 lT#&\JQ  
    \ T/i]z  
     开始视频 WSi`)@.X O  
    - 光路图介绍 |t+M/C0y/  
    - 参数运行介绍 8] skAh  
    - 参数优化介绍 , (dg]7  
     其他测量系统示例： [zl@7X1{_  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) gyj.M`+y  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 4e~^G  
     
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