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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) ET(/h/r  
    5xQ5)B4k  
    应用示例简述  PZj}]d `  
     ;H9 W:_ahE  
    1.系统说明 2M)E1q|a  
     hqa6aYY x  
    光源 GJ:oUi  
    — 平面波(单色)用作参考光源 <?h(Dchq  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) EAHdt=8W{  
     组件 ,(f({l[J}  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 ' pIC~  
     探测器 .  LeS-  
    — 功率 >M^:x-mib  
    — 视觉评估 {vk%&{D0)  
     建模/设计 |h6, .#n  
    — 光线追迹：初始系统概览 |@VhR(^O$  
    — 几何场追迹+(GFT+)： GK1P7Qy?V  
     窄带单色仪系统的仿真 7Kpv fyL{  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 $ago  
    ?Zb3M  
    2.系统说明 -s\R2_(  
    &'Xgf!x  
     l;@bs  
    /#SH`ZK  
    3.系统参数 /J9Or{#r  
    93 =?^  
     R G~GVf  
     Hs6Kki1  
    g ;X K3R  
    4.建模/设计结果 &da:{  
     Df$~=A}  
    {XV 'C @B  
     "~KTLf  
    总结 *;Cpz[N  
     TaF;P GjVw  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 +G+1B6S  
    1. 仿真 }PM7CZSq  
    以光线追迹对单色仪核校。 q s:TR  
    2. 研究  x$FcF8  
    应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 7~;)N$d\  
    3. 应用 wOLV?Vk  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Eo6qC?5<  
    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。 ]f}(i D  
     A`"?~_pHC  
    应用示例详细内容 X&Sah}0V&  
    系统参数 nzF2Waa-  
     8L]Cc!~  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 4J?\JcGs  
    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。 -9Ygn_M  
    TX7dwmt) N  
     tI5*0  
    P@% L.y B  
    2. 系统参数 ~Q5]?ZNX  
     c= ?Tu  
    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。 d= ?lPEzSA  
    r%NzKPW'  
     F`,Hf Cb\  
    7]~|dc(  
    3. 说明：平面波(参考) y\[q2M<  
    %a:T9v  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 KHGUR(\Rd6  
    Wtp=1  
     sCp)o,;  
    QL2 `X2  
    4. 说明：双线钠灯光源 ):A.A,skf  
    AYfe_Dj  
    fwh/#V-i  
     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。 G:` So  
     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)。 P>^$X  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 y=jZ8+M   
    r;E5e]w*-  
     =k;X}/  
    zMM ~4?4  
    5. 说明：抛物反射镜 J6ed  
    i6y=3k  
    fI'+4 )@x  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 XqwP<5Z  
     出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 EMdU4YnE"  
    edZBQmx+#  
    E*kZGHA  
    <q Q@OUI   
     B~J63Os/  
    Qz_4Ms<o  
    6. 说明：闪耀光栅 zQUNvPYM  
    9[DlJ@T}  
    > %slzr  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 .9Dncsnf,`  
     通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 Ekh)l0 l  
    :LC3>x`:  
    f zL5C2d  
    x}=Q)|)]  
     " RIt  
    =kzHZc  
    7. Czerny-Turner 测量原理 K@:Ab'(P^|  
     _lRIS_^;eE  
    通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 M&sQnPFH  
    2 zG;91^  
     OYb:);o,iE  
    1u(n[<WtT_  
    I1s$\NZ~]  
    8. 光栅衍射效率  ?sR(  
    zsR5"Vi=  
    i [Wxu M  
     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。 fN:FD`  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 {<#b@=G  
     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) 8-cuaa  
     uD[T l  
    H\a\xCP3  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 2^nws  
    N^k& 8  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ikb77 ?.  
    XN{zl*`  
     .CNwuN\  
    yf-2E_yB  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 @RL'pKab9  
    oiD{Z  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 'MNCJ;A@V  
    AsvH@\\  
     6z:/ma^  
    e-1G\}E  
     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)。 uc|ej9N  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 =)*Z rD  
    Vl>KeZ+  
    应用示例详细内容 "5?1S-Vl  
     02,.UqCz  
    仿真&结果 2 !9Zw$  
     C@<gCMj,"  
    1. 结果：利用光线追迹分析 A5]yC\*zt  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 7@m+ y  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 z+CX$.Z  
    d>Nh<PqH6  
     |ZXz&Xor  
    <P@O{Xi+K  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd {) sE;p-  
     7KJ0>0~Et  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 H$pgzNL  
     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]&y[/\E1  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， ?{5}3a bB`  
    lvNi/jk  
     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。 kg,\l9AM  
    " SP6o  
     VWzuV&;P  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms \w(0k^<7  
     :2')`xT  
    3. 衍射效率的评估 Ww#!-,*]o  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 LnsYtkb r  
     obPG]*3  
     (hIo0 .  
    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。 ]&`=p{Z  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd bD|VT  
     ?,%PemN  
    4. 结果：衍射级次的重叠 F~bDg tN3  
     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。 4Tx.|   
     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)。 'fk6]&-I  
     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。 $j v"$0Fc  
     通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) uY/C iTWr  
     光栅方程： XD_!5+\H1  
     !@ y/{~Gu  
    6:`[Fi  
    J+N -+,,  
    s B^ejH  
    5. 结果：光谱分辨率 'iDkAmvD  
    6\-u:dvGI?  
     ' ~fP#y  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run jpoNTl'  
     G|"m-.9F  
    6. 结果：分辨钠的双波段 D]|{xKC}  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 vg _PMy\  
       |L:X$oM  
    "ctZ"*  
     4T v=sP  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 K\s<<dRa  
    q9a6s {,  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run U)Tl<l<  
    jc#gn& 4C  
    7. 总结 =En1?3?  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Ae"|a_>fMI  
    1. 仿真 3a=\$x@  
    以光线追迹对单色仪核校。 #YK3Ogb,  
    2. 研究 mQ:YHtHE.F  
    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。 t=s.w(3t  
    3. 应用 |+>U91!  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 yUO%@;  
    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。 b@K1;A! S  
    扩展阅读 R|wS*xd,  
    1. 扩展阅读 l0g+OMt  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 t -fmA?\  
    && PZ;  
     开始视频 2+ g'ul`  
    - 光路图介绍 \$F#bIjC  
    - 参数运行介绍 *O)i)["  
    - 参数优化介绍 _u6MSRX[6$  
     其他测量系统示例： =U8+1b  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) V-X Ty iv  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) l7IF9b$c  
     
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