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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) :~,V+2e  
    mDA1$fj"  
    应用示例简述 :&s8G*  
     (T.g""N~`  
    1.系统说明 3C#Sr6  
     [Lf8*U"  
    光源 70nBC  
    — 平面波(单色)用作参考光源 Wtflw>-  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) \Oe8h#%  
     组件 d ?,wEfwp  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 1(Lq9hs`  
     探测器 Oc / i'  
    — 功率 Acb %)Y  
    — 视觉评估 @8SA^u0  
     建模/设计 08nA}+k  
    — 光线追迹：初始系统概览 biH ZyUJ  
    — 几何场追迹+(GFT+)： k,r}X:<6jz  
     窄带单色仪系统的仿真 iDlg>UYd  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 iUf?MDE  
    kg$w<C@#"  
    2.系统说明 sTi3x)#xB  
    Qmj%otSg  
     er>@- F7w  
    u9ue>I /  
    3.系统参数 OUm,;WNLf  
    WAb@d=H{+>  
     R=L-Ulhk  
    t\-;n:p-  
    #:[CF:  
    4.建模/设计结果 R^6^ {q  
     oX6()FR  
    N<aMUVm  
     ? UBE0C  
    总结 2| ERif;)  
     D(">bR)1  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 '\Uy;,tu /  
    1. 仿真 xx[l#+:c  
    以光线追迹对单色仪核校。 Bvz& p)(  
    2. 研究 HhB' ^)  
    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。 `q?@ Ob&  
    3. 应用 !JPZ7_nn  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 g|x* sZR~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。 !l1jQq_mK  
     OH vV_  
    应用示例详细内容 |`@7G`x  
    系统参数 c.;<+dYsm*  
     "'U]4Z%q!  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 HJOoCf  
    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。 4,7W*mr3(  
    m%i!;K"{s  
     x7c#kU2A&Z  
    7u[$  
    2. 系统参数 uS{WeL6%  
     ZG_iF#  
    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。 42,K8  
    ROr|  <  
     EZ)GW%Bm2  
    3 >G"&T{  
    3. 说明：平面波(参考) `5t CmU  
    DM*u;t{i  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 =~{W;VZt'  
    Zs}EGC~&  
     p/Lk'h~  
    cAzlkh  
    4. 说明：双线钠灯光源 1IZTo!xi  
    n,%/cUl  
    J8PZVeWx  
     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。 F!ra$5u  
     双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 fBct%M 3  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 p|'Rm ]&jb  
    9I*`~il>{  
     D? FWSv  
    =42NQ{%@;  
    5. 说明：抛物反射镜 ^ &VN=Y6z  
    Eilo;-El  
    j9$kaEf  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 qJ<Ghd`8v  
     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。 ^97\TmzP{  
    -v?)E S  
    8jfEvwY  
    {#}?-X  
     OT}^dPQe  
    y_f^ dIK*=  
    6. 说明：闪耀光栅 ,PZ[CX;H@  
    \$D41_Wt|  
    z#{%[X2  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 j+NpQ}t:  
     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 qwHP8GU  
    aDjYT/`l  
    ?E.MP7Y# V  
    [fr!J?/@  
     Ky6 d{|H  
    5:X^Q.f;  
    7. Czerny-Turner 测量原理 TvwkeOS#}7  
     A7sva@}W  
    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。 YfU6 mQ  
    UViWejA/*u  
     K&/!3vc  
    a #Pr)H  
    I8{ohFFo  
    8. 光栅衍射效率 Gque@u  
    DO9_o9'  
    h&:6S  
     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。 Cc!LJ  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 5Z(#)sa0Og  
     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) _gI1@uQw  
     +"Mlj$O  
    JD{AwE@Ro  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 1agI/R  
    w.R2' W R  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 bKP@-<:]  
    =z +iI;  
     +pJ~<ug]  
    v!%VH?cA8  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 }X^CH2,R  
    Bz*6M  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 \6K1Z!*;  
    vON1\$bu `  
     ,U#FtOec  
    .[>UkM0  
     增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 "c0Nv8_G  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 @8'LI8 \/  
    @sLB _f  
    应用示例详细内容 \:`-"Ou(*  
     ()%;s2>F  
    仿真&结果 Q804_F F#  
     m00 5*>IY  
    1. 结果：利用光线追迹分析 `Fs-z  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 _"'0^F$I  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Cy'! >  
    SbN.z  
     1n )&%r  
    #wP$LKk  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd /D ~UK"}  
     %][6TZ}  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 b<"LUM*;  
     通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 i4r8146D[  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， Xe>   
    jv'q :uA^  
     通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 ` beU2N  
    2kVQ#JyuRI  
     bd@1j`i  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms vN3uLz'<  
     TC^fyxq  
    3. 衍射效率的评估 f,QBj{M,  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 cHk ?$  
    [pYjH+<  
     mUjM5ceAXO  
    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。 xr).ZswQ  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd V { yk  
     =X}s^KbI{  
    4. 结果：衍射级次的重叠 h\PybSW4s  
     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。 [V_\SQV0  
     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)。 /dq(Z"O_  
     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。 qASV\ <n  
     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) GP;UuQz  
     光栅方程： Xwt}WSdF`k  
     ZIikDi h1  
    d0 qc%.s  
    ;J&9 l >  
    RLr^6+v)U  
    5. 结果：光谱分辨率 l fJ lXD  
    ;iT ZzmB  
     {;E]#=|  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run G "`t$=0  
     5;Q9Z1 `  
    6. 结果：分辨钠的双波段 o`<ps$ yT  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 }N%uQP#I  
       Rg6/6/ IN  
    )G=hgqy  
     ~Op~~ m  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 (YKkJ  
    r0/o{Y|l6  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run hz*H,E!>  
    $61j_;WF`  
    7. 总结 yy#4DYht  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 +je{%,*  
    1. 仿真 B7ty*)i?  
    以光线追迹对单色仪核校。 Yo;Mexo!  
    2. 研究 MZK%IC>  
    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。 Fv T;8ik:3  
    3. 应用 (7J (.EG2e  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 >[a&,gS  
    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。 68, (+vkB  
    扩展阅读 !@wG22iC4d  
    1. 扩展阅读 VSW"/{Lp  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 bFtzwa5Gc  
    YCnKX<Wv  
     开始视频 P2>Y0"bY  
    - 光路图介绍 atmTI`i  
    - 参数运行介绍 do&0m[x%  
    - 参数优化介绍 %"g; K  
     其他测量系统示例： Qa-~x8]  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) f5dctDHP  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) WpPI6bd  
     
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