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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) E>K!Vrh-L  
    (!:,+*YY  
    应用示例简述 wpN=,&!  
     >7 ="8  
    1.系统说明 4t=G   
     vam;4vyu  
    光源 \kZ?  
    — 平面波(单色)用作参考光源 !z>6 Uf!{  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) *WuID2cOI  
     组件 ueUuJxq)  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 w(L4A0K[  
     探测器 Abc)i7!.,.  
    — 功率 m^zUmrj[  
    — 视觉评估 `x*Pof!Io  
     建模/设计 Fe4(4  
    — 光线追迹：初始系统概览 5?x>9C a  
    — 几何场追迹+(GFT+)： Qnsi`1mASr  
     窄带单色仪系统的仿真 LcTP #  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ~nay"g:  
    'd9INz.  
    2.系统说明 X9V*UXTc  
    vQ 6^xvk]  
     r97pOs#5:  
    ) AvN\sC  
    3.系统参数 s*.hl.k.  
    8)_XJ"9)G  
     [D I+~F  
    \XZ/v*d0  
    Yo6*C  
    4.建模/设计结果 9dx/hFA  
     RMdk:YvBg  
    &OH={Au  
     v bZ}Z3f_  
    总结 X aMJDa|M  
     )6Fok3u  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ]>5/PD,wWy  
    1. 仿真 \"P%`  C  
    以光线追迹对单色仪核校。 f*?]+rz  
    2. 研究 u7>],<  
    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。 r7%I n^k  
    3. 应用 !$gR{XH$]  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 zHM(!\8K  
    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。 #Lh;CSS  
     8}O lL,fP  
    应用示例详细内容 +nFu|qM}  
    系统参数 _Tm3<o.  
     '-Vt|O_Q  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 m#| 9hMu  
    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。 Swig;`  
    -cAo@}v  
     YJT&{jYi  
    j8 ^Iz  
    2. 系统参数 L>Fa^jq5  
     MP Y[X[  
    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。 m[~y@7AK<  
    , /Z%@-rF  
     8V`WO6*  
    2*laAB  
    3. 说明：平面波(参考) qN9(S:_Px  
    a%JuC2  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 KQ% GIz x  
    ?BeiY zg  
     Z>k#n'm^z  
     UD2C>1j  
    4. 说明：双线钠灯光源 Y!w`YYKP  
    "jKY1* ?  
    KQ!8ks]  
     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。 Bq%Jh  
     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)。 Z&+ g;(g  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 +V ;l6D  
    wDal5GJp  
     \/r}]Vz  
    H)kwQRfu  
    5. 说明：抛物反射镜 BLQ6A<  
    X9W@&zQ  
    :^6y7&o[  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 O:;w3u7;u  
     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。 y}" O U  
    ?jv/TBZX4  
    K7_UP&`=J  
    7W Ly:E"  
     /L g)i\R;  
    5}l[>lF  
    6. 说明：闪耀光栅 JzQ_{J`k  
    H(ARw'M  
    r= `Jn6@  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 U2#"p   
     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 {T$9?`h~M  
    $f <(NM6?  
    G:<aB  
    A4x]Qh3OO  
     iy.p n  
    i+ ?^8#  
    7. Czerny-Turner 测量原理 gV's=cQ  
     =7=]{Cx[  
    通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 F]O`3 e=!  
    C2kPMB=Xo  
     t\dN DS  
    @Md/Q~>  
    w3ResQ   
    8. 光栅衍射效率 ~g]Vw4pv  
    e'NJnPO  
    0*3R=7_},o  
     VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 VPJElRSH  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 {UI+$/v#  
     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) E4jNA }3k+  
     sUO`uqZV  
    reu*53r]  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd UcHJR"M~c  
    YoNDf39  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 i>`%TW:g  
    4SxX3Fw  
     AO4U}?  
    kiaw4_  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 >1Ibc=}g  
    Rh{f5-  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 _ ]ip ajT  
    .W%)*&WH\  
     m=:9+z  
    +{.WQA}z\  
     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)。 Se}c[|8  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 e#8Q L  
    zR:L! S  
    应用示例详细内容 ITI)soa~  
     rglXs  
    仿真&结果 .uZ3odMlx  
     }o(-=lF  
    1. 结果：利用光线追迹分析 r#p9x[f<Y  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 1.GQau~  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Q Z  
    B~ GbF*j  
     M5X&}cN6  
    |0b`fOS  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 013x8!i  
     E{`fF8]K  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 cF}".4|kZ<  
     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)。 6A-|[(NS  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， qR8Lh( "i  
    V b?oJhR  
     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。 wlqksG[B  
    8OU\V5i[,q  
     [RhO$c$[\  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms db7B^|Di  
     }&J q}j  
    3. 衍射效率的评估 ~B?y{  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 ^hM4j{|&M  
    29.h91  
     z Rr*7G  
    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。 ]{@-HTt  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd `Ggbi4),  
     nDxz~8  
    4. 结果：衍射级次的重叠 VpDbHAg  
     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。 {JMVV_}n  
     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)。 n{mfn *r.  
     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。 gjDHo$  
     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) 0aB;p7~&  
     光栅方程： eD6fpe\(  
     ](8[}CeL  
    !%c\N8<>GD  
    <0!):zraS  
    /*mI<[xb  
    5. 结果：光谱分辨率 BRiE&GzrF  
    s.C_Zf~3  
     A3/k@S-R2  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 8{sGNCvU  
     u^  ~W+  
    6. 结果：分辨钠的双波段 EaN6^S=  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 %7+qnH*;r  
       4H&+dR I"  
    (*iHf"=\  
     `b$.%S8uj=  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 N<}5A%  
    MQ8J<A Pf-  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run ud('0 r',D  
    S<Xf>-8w  
    7. 总结 }pkzH'$HJ  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ( a#BV}=  
    1. 仿真 &F~T-i>X  
    以光线追迹对单色仪核校。 KbeC"mi  
    2. 研究 ^ [@ ,  
    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。 zTU0HR3A  
    3. 应用 }qD\0+`qi  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 >z@0.pN]7  
    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。 +6+i!Sip  
    扩展阅读 oUlVI*~ND  
    1. 扩展阅读 9G2FsM|,  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 61U09s%\0  
    jmZI7?<z  
     开始视频 a\*yZlXKs  
    - 光路图介绍 =T7.~W  
    - 参数运行介绍 uwGc@xOgg,  
    - 参数优化介绍 Qo|\-y-#  
     其他测量系统示例： l*G[!u  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) j0q&&9/Jj  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) X^jfuA  
     
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