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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 正序阅读 楼主  发表于: 2021-11-16
    测量系统(MSY.0003 v1.1) 8{G!OBxc\.  
    .pUB.l$)  
    应用示例简述 t`K9K"|k  
     _C/|<Ot:  
    1.系统说明 kBR=a%kG  
     ['}|#3*w  
    光源  <J;O$S  
    — 平面波(单色)用作参考光源 |:R\j0t  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) o&1mX  
     组件 eVfD&&@  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 , lR(5ZI  
     探测器 J=3{<Xl  
    — 功率 {zcG%b WJ  
    — 视觉评估 lKejWT`;  
     建模/设计 k={D!4kKz  
    — 光线追迹：初始系统概览 J -z.  
    — 几何场追迹+(GFT+)： Mgw#4LU  
     窄带单色仪系统的仿真 FSQB{9,H  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 !.j{vvQ/  
    F|F0#HC ?  
    2.系统说明 MeBTc&S<  
    $\P/ %eP  
     /+92DV  
    cj2Smgw&>  
    3.系统参数 Bo "9;F  
    ?_gvI  
     ^&YtZjV  
    F-3=eKZ  
    "^$Ht`p[  
    4.建模/设计结果 $ Lstq_x+  
     jv~#'=T'  
    :5~Dca_iU4  
     { }/  
    总结 y ~  K8  
     @H?OHpJ"`  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 pqO3(2F9  
    1. 仿真 >k"O3Pc@  
    以光线追迹对单色仪核校。 i\IpS@/{-v  
    2. 研究 }6[jJ`=gOx  
    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。 ]x metv|7  
    3. 应用 Hj >fg2/  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 %_Vz0 D! 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。 \2/X$x<?X  
     n8EKTuy  
    应用示例详细内容 6h/!,j0:t_  
    系统参数 D/=05E%[81  
     -I5]#%eX^  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 js"Yh  
    Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 }` 3-  
    8 siP  
     Bdh*[S\u@E  
    6E) T;R(@  
    2. 系统参数 X{#^O/  
     -`q!mdA2  
    元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 qY-aR;  
    "T5jz#H#/  
     @~2k5pa  
    mfZbo#KS#v  
    3. 说明：平面波(参考) l#cVQ_^"  
    P7}w^#x  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 qE2<vjRg  
    ^r}Uu~A>  
     TSFrv8L  
    ruagJS)+  
    4. 说明：双线钠灯光源 &H# l*  
    ~*EipxhstJ  
    T+XcEI6w  
     为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 1W*Qc_5 v1  
     双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 @GAj%MK$  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 a'` i#U  
    60~*$`  
     \KJTR0EB:>  
    X{xkXg8h  
    5. 说明：抛物反射镜 27gHgz}}  
    51s\)d%l  
    >%6j-:S  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 D`n<!"xg@$  
     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。  e#5WX  
    Onqapm0  
    ;Uch  
    u^C\aujg  
     ,?U(PEO\f  
    5Zc  
    6. 说明：闪耀光栅 hK4ww"-  
    7202N?a {  
    Flpl,|n a  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 yT%<  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 >*/ |t L  
    Sy.%>$z  
    miBCq l@x  
     `&a8Wv  
     c5f57Z  
    fc:87ZR{K  
    7. Czerny-Turner 测量原理 B7A.~' =  
     hQ%X0X,  
    通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 sk5=$My  
    9&kY>M>z0  
      svo%NQ  
    #\F8(lZ  
    l+(B~v  
    8. 光栅衍射效率 fX:G;vYn  
    z 4. |N  
    qYqd-R  
     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。 %xx;C{g;a  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 4u p7 :?  
     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) +CEt:KQ   
     ?~^p:T  
    k?pNmKVJM  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd ,9:v2=C_  
    mV7_O//  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 U GOe(JB  
    $ ga,$G  
     w0>5#j q#r  
    I`{=[.c  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ciH TnC  
    i+-=I+L3  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ^s8JW"H  
    %AgCE"!  
     BaCzN;)  
    y(Pv1=e  
     增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 Pw Amnk !  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 %&O'>L  
    [eF|2:  
    应用示例详细内容 g[{rX4~|  
     w@N)Pu  
    仿真&结果  9mv6  
     3z 5"Ckzb  
    1. 结果：利用光线追迹分析 s;[64ca]Q  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 a- /p/ I-%  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 /X\:3P  
    .fzns20u  
     j;rxr1+w  
    j]9,yi  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd |R Qa.^.  
     7sJGB^vM  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 GsWf$/iC:  
     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)。 T 6rjtq  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， # f{L;  
    f2$<4H hmm  
     通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 j62oA$z  
    0[OlJMVf  
     +m6acu)N.  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms wMiRN2\^  
     e]d\S] 5  
    3. 衍射效率的评估 Bv=:F5hLG  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 (7P VfS>;  
    w >#.id[k  
      O6!:Qd  
    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。 qB=%8$J  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd +3;[1dpgf  
     rOq>jvy  
    4. 结果：衍射级次的重叠 *7/MeE6)i  
     因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 5NYYrA8,^  
     VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 v/C*?/ ~  
     0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 .$-%rU:*}  
     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) 6~(iLtd#  
     光栅方程： w 259':  
     (@u"   
    Ds%~J  
    Js8d{\0\  
    ^cYt4NHXn  
    5. 结果：光谱分辨率 )pt#Pu  
    WO6;K]  
     vn=0=(  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run GI*2*m!u  
     c:G0=5  
    6. 结果：分辨钠的双波段 *6*/kV? F  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 fyt`$y_E[  
       0f|nI8,z  
    u'EzYJ7  
     EPwM+#|e-  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 B6a   
    lw 9 rf4RF  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run C")NN s =  
    ?f[U8S}  
    7. 总结 0Fm,F&12  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 +q4AK<y-  
    1. 仿真 .1& F p  
    以光线追迹对单色仪核校。 lvZ:Aw r  
    2. 研究 6P*2Kg`  
    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 $;N8x[  
    3. 应用 zd3%9rj$  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 0xg6  
    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。 }fKpih  
    扩展阅读 Tn8GLn  
    1. 扩展阅读 6*H F`@(  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 -( ,iwF b  
    LK[%}2me  
     开始视频 CK+_T}+-  
    - 光路图介绍 O(QJiS  
    - 参数运行介绍 oVSq#I4  
    - 参数优化介绍 YV0K&d  
     其他测量系统示例： Fps.Fhm  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) %@Ty,d:;=  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) D#,P-0+%  
     
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