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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) `#E1FB2M  
    hVd% jU:  
    应用示例简述 fMy7pXa_  
     8N'[ )Jw  
    1.系统说明 D`V03}\-  
     "oz qfh  
    光源 !SMIb(~[z  
    — 平面波(单色)用作参考光源 ?l &S:` L  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) Tm 6<^5t  
     组件 "l"zbW WOH  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅  km|;T!  
     探测器 c R*D)'/tl  
    — 功率 g/)mbL>=  
    — 视觉评估 ]%!:'#  
     建模/设计 !"Jne'f  
    — 光线追迹：初始系统概览 P{h;2b{  
    — 几何场追迹+(GFT+)： hQv~C4Wfrf  
     窄带单色仪系统的仿真 <j+DY@*  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 gG!L#J?  
    :?S1#d_  
    2.系统说明 ~xer ZQgc  
    5hF iK K7  
     4"nb>tA  
    %wzDBsX  
    3.系统参数 <%Zg;]2H`  
    J^m#984  
     `q@5d&d`j  
    {N42z0c  
    W2?6f:  
    4.建模/设计结果 >hHjDYjbf  
     W< _9*{|E;  
    '[Ap/:/UY  
     c07'mgsU  
    总结 .jA'BF.  
     gi\2bzWkbX  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 b{%p  
    1. 仿真 j")#"& m  
    以光线追迹对单色仪核校。 ux`)jOQ`Y]  
    2. 研究 ce7$r*@!  
    应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 A/ZZ[B-  
    3. 应用 R9@Dd  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 C,r[H5G#  
    可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 7)SG#|v[$  
      ieo Naq  
    应用示例详细内容 ur7sf$  
    系统参数 HqC 1Dkw  
     5#|D1A  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 s&&8~ )H  
    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。 ldk (zAB.  
    q$RJ3{Sf  
     Hj(ay4 8  
    {| ~  
    2. 系统参数 5ar2Y$bY  
     Ck.LsL-  
    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。 Sp/t[\,'  
    r:;nv D  
     Jy<hTd*q  
     t~_vzG  
    3. 说明：平面波(参考) qV]p\/a.  
    {&7%wZ"t_  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 pV:;!+  
    ),cozN=NM  
     Rn?Yz^ 1q  
    >2v UFq`H  
    4. 说明：双线钠灯光源 .Z?@;2<l  
    |p_\pa1&  
    'C[{cr.`  
     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。 {o>51fXc)  
     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)。 :DWvH,{+&  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 .h c-uaL  
    nUb0R~wr$G  
     x;N@_FZ7KY  
    J n>3c  
    5. 说明：抛物反射镜 <e&88{jJ  
    hSkI]%  
    ({&\~"  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 ~V34j:  
     出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 0nOkQVMk>  
    X 8/9x-E_  
    y-#{v.|L  
    Dfhu  
     g}@W9'!  
    mH`K~8pRg  
    6. 说明：闪耀光栅 [p Y1\$,  
    srL|Y&8p  
    4e`GMtp  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 r< MW8  
     通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 9N[(f-`  
    WR|n>i@m  
    OKo)p`BX  
    b?^CnMO  
     [k~}Fe) x  
    2 .p?gRO  
    7. Czerny-Turner 测量原理 xVnk]:c  
     reP)&Fo  
    通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 e};\"^H H  
    npCiqO  
     !#[B#DZc(  
    !=)b2}e/>  
    Sgp1p}  
    8. 光栅衍射效率 ;6)Onwx  
    57|RE5]|!  
    <Jc :a?ICe  
     VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 QH5[}zs8  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 x& a<u@[wa  
     3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) e'l@M$^  
     y1 qJ  
    _8 C:Md`  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd w. c]   
    -prc+G,qyp  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 L#|6L np^  
    9 $&$Fe  
     :aHLr[%Mz  
    e+~Q58oD  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 P->.eo#VG  
    ,&F4|{  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 c0U=Hj@@  
    rYI7V?  
     F1A7l"X]  
    "?HDv WP=w  
     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)。 %G`GdG}T  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 |& Pa`=sp  
    z)_h"y?H{%  
    应用示例详细内容 }7HR<%< 7  
     AZH= r S`  
    仿真&结果 umuE5MKY<  
     dX;Q\  ]"  
    1. 结果：利用光线追迹分析 *Dhy a g  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 &;2@*#,  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 X/qLg+X  
    M5Q7izM  
     ;RzbPlkl  
    Q<O(Ix  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd /%{Qf  
     )`,Y ^`F2  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 %~rXJrK  
     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)。 |*5HNP  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， WNO!6*+  
    e-EY]%JO  
     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。 ;r3Xh)k;  
    ,!>1A;~wT  
     #V-0-n,`  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms !v\ _<8  
     xgq `l#  
    3. 衍射效率的评估 \r`><d  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 SCL8.%z D  
    [X^Oxs  
     We)l_>G  
    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。 _^MkC} 8  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd HP(dhsd<c  
     i$gH{wn\`  
    4. 结果：衍射级次的重叠 R>;m6Rb_  
     因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 7GDrH/yK  
     VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。   !XQq*  
     0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 rE?Fp  
     通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) i(m QbWpN  
     光栅方程： L_O*?aaZ  
     8nE}RD7bx  
    ~5]%+G  
    sL!+&Id|  
    (RU\a]Ry  
    5. 结果：光谱分辨率 tl"?AQcBR  
    [I 6&|Lz>  
     f >$V:e([  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run C3:CuoE X  
     !4mg]~G  
    6. 结果：分辨钠的双波段 hCpcX"wND  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 B&rw R/d  
       +rFAo00E|  
    c-oIP~,  
     {,+MaH  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 E+z"m|G  
    L0X/  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run Z/G?w D|B  
    t.pn07$  
    7. 总结 Ku`u%5<  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 +)ba9bJ|  
    1. 仿真 rsn^Y C  
    以光线追迹对单色仪核校。 m <'&`B;  
    2. 研究 Bdr'd? u<A  
    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。 f!Mx +ky  
    3. 应用 EECuJ+T  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 1n!xsesSc  
    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。 czg9tG8  
    扩展阅读 F[)5A5+:Y  
    1. 扩展阅读 >/.w80<'  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 2bu>j1h  
    8/s?Gz  
     开始视频 O)$Pvll  
    - 光路图介绍 CK9FAuU  
    - 参数运行介绍 .R]DT5  
    - 参数优化介绍 BcxALRWE  
     其他测量系统示例： 3 =-V!E  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) B'&QLO|  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Q N]y.(S)y  
     
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