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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) pB 8D  
    D5D *$IC  
    应用示例简述 8Auek#[  
     {YzCgf  
    1.系统说明 "J1A9|  
     AcPLJ!y  
    光源 .4)oZ  
    — 平面波(单色)用作参考光源 h @!p:]  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) :aej.>I0  
     组件 {_-kwg{"(  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 2Lf,~EV  
     探测器 )Y7H@e\1  
    — 功率 QL WnP-  
    — 视觉评估 a (~Y:v  
     建模/设计 f +{=##'0  
    — 光线追迹：初始系统概览  D}98ZKi  
    — 几何场追迹+(GFT+)： J* *(7d  
     窄带单色仪系统的仿真 i}sAF/  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 fRQ,Z  
    ERpAV-Zf  
    2.系统说明 ,PTM'O@aU#  
     ?<EzILM  
     w={q@. g%  
    3' i6<  
    3.系统参数 (Xh <F  
    J rx^  
     tQ|c.`)W  
    F@i >l{C  
    &q-&%~E@  
    4.建模/设计结果 i/x |c!E  
     i6'=]f'{  
    <l{oE? N  
     uL`#@nI  
    总结 ny5 P*yWEh  
     q!y.cyL  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 |Vx [  
    1. 仿真 im2mA8OH  
    以光线追迹对单色仪核校。 pAE (i7  
    2. 研究 h;gc5"mG  
    应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 9Da{|FyrD  
    3. 应用 qzUiBwUi@  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 *[Z`0AgP  
    可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 z1mB Hz6  
     R^l0Bu]X  
    应用示例详细内容 bY" zK',m  
    系统参数 .9nqJ7]  
     :y-;V  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 )QE6X67i  
    Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 ,8@<sF B'  
    1=R$ RI  
     ^k=<+*9  
    ; llPM`)  
    2. 系统参数 n/_q  
     g,Ob/g8uc  
    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。 1<r!9x9G  
    z9aR/:W}  
     pU7;!u:c4%  
    72dRp!J U  
    3. 说明：平面波(参考) J4T"O<i$58  
    Hd~g\  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 0= $/  
    Lh[0B.g<  
     {A0jkU  
    k&$ov  
    4. 说明：双线钠灯光源 Bl b#h  
    QLY;@-jF$  
    ^ Ps!  
     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。 ;ElCWs->\  
     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)。 Cn~VJ,l g  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。  LCor T-  
    Ib..X&N2  
     \3JCFor/  
    gi!_Nz  
    5. 说明：抛物反射镜 \zBi-GI7  
     d$$5&a  
    dc)%5fV\  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 Cqr{Nssu  
     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。 D6bYg `  
    "\o#YC  
    +e{ui +  
    }yT/UlU  
     |T<aWZb^=  
    wH~A> 4*(  
    6. 说明：闪耀光栅 +#Pb@^6"m  
     /a1uG]Mt  
    xuXPVJdi  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 5 A0]+)5E8  
     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 %~Yo{4mHs  
    vb>F)X?b_  
    Qt.*Z;Gs  
    F$t]JM  
     )g@+ MR  
    ED` 1)1<  
    7. Czerny-Turner 测量原理 f;'*((  
     c(Dp`f,  
    通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 DT]4C!dh  
    0D,@^vw bK  
     A%D 'Z85 -  
    wpZ"B+oK!  
    OJe!K:  
    8. 光栅衍射效率 ,WyEwc]  
    S`s]zdUTP  
    9y!0WZE{e  
     VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 s@Q7F{z  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 1V2]@VQF  
     3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) .z#eYn% d  
     v2x+_K}J  
    .n7@$kq  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd T1Py6Q,-  
    (_pw\zk>  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 X_78;T)uA  
    IHEbT   
     EXSJ@k6=8s  
    ]aPf-O*  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 $z$^ yjL  
    xT> 9ZZcE  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 f/Y&)#g>k  
    #zsaQg, B  
     hV@ N -u^  
    ?M:>2wl  
     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)。 7hk<{gnr  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 ta?NO{*  
    N:lE{IvRJ  
    应用示例详细内容 ]wid;<  
     63E6nW M  
    仿真&结果 bSe\d~{  
     v]SxZLa  
    1. 结果：利用光线追迹分析 !=YEhQ-  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 W`x.qumN  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 .=eEuH  
    3jZGO9ttnS  
     jRg/N_2'2  
    6k hBT'n  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ]T)N{"&N/  
     y,:WLk~  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 LuySa2 ,  
     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)。 kN/YnY*J<  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， ~\am%r>  
    =AO (  
     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。 _*H Hdd5I  
    %Yu~56c-  
     D?dBm  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms i bzY&f  
     AFi_P\X  
    3. 衍射效率的评估 xn`)I>v  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 *6yY>LW  
    ~u%$ 9IhM  
     WVR/0l&bU  
    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。 ''auu4vF  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd A l?%[-u  
     4FzTf7h^  
    4. 结果：衍射级次的重叠 s~{rC{9X  
     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。 _. 9 5>`  
     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)。 K~d'*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。 "73*0'm  
     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) 4~Qnhv7  
     光栅方程： yP7b))AW9  
     xT 06*wQ  
    z%E(o%l8  
    'd2 :a2C]  
    deAV:c  
    5. 结果：光谱分辨率 MiZ<v/L2  
    6CFnE7TQf  
     ^mL X}E]  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 7G+!9^  
     Gy \ ]j  
    6. 结果：分辨钠的双波段 e.vt"eRB  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 poAJl;T  
       l :{q I#Q  
    )5( jx  
     rQl9SUs  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 !-)!UQ~|8  
    $9?:P}$v  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run MH#Tp#RG  
    ]r#b:W\  
    7. 总结 oaQW~R`_  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 'dWUE-  
    1. 仿真 I8! .n  
    以光线追迹对单色仪核校。 #M~yt`R~  
    2. 研究 i!%WEHPe  
    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。 EPJ>@A>;D  
    3. 应用 [s$x"Ex  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 7C'@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。 j1`<+YT<#  
    扩展阅读 (W#CDw<ja  
    1. 扩展阅读 4L,wBce;,t  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ftpPrtaP  
    'yVe&5?  
     开始视频 kxKb}> =  
    - 光路图介绍 *` mxv0w~(  
    - 参数运行介绍 NxF:s,a6  
    - 参数优化介绍 >TglX t+  
     其他测量系统示例： .u\$wJ9Ai  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) k6"(\d9o  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) LCSvw  
     
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