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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) +@p% p  
    #xX5,r0  
    应用示例简述 I %sFqh>  
     JM x>][xD  
    1.系统说明 }BZ"S-hZ  
     Ji>o!  
    光源 :6vm+5!  
    — 平面波(单色)用作参考光源 BD_Iz A<wK  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) mlJ!:WG  
     组件 ^c^#dpn  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 BJM.iXU)[  
     探测器 eYN5;bx)W  
    — 功率 PIu1+k.r?  
    — 视觉评估 i rU 6D  
     建模/设计 q7_ m&-0)  
    — 光线追迹：初始系统概览 a yCY~=i  
    — 几何场追迹+(GFT+)： WST8SEzJ  
     窄带单色仪系统的仿真 BK)$'AqO  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 6p?,(  
    :N4t49i  
    2.系统说明 oSy yd  
    `6lr4Kk @R  
     8ZM&(Lz7u  
    pEBM3r!X  
    3.系统参数 K{|p~B  
    eJxw) zd7  
     u%}nw :>  
    D^l%{IG   
    ?OcJ )5C4  
    4.建模/设计结果 CE#gfP  
     `j,Yb]~s79  
    k5:G-BQ:  
     Gft%Mq v  
    总结 fVF2-Rh=  
     _jLL_GD  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 X-6de>=   
    1. 仿真 #gRM i)(F  
    以光线追迹对单色仪核校。 _FH`pv  
    2. 研究 _F>CBG  
    应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 ';3{T:I  
    3. 应用 C-Q28lD}f  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 U>]$a71  
    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。 Fv~20G (O  
     Z/k:~%|E  
    应用示例详细内容 )bS yB29S  
    系统参数 ,}3 'I [  
     '[AlhBX  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 "iy  
    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。 qTdheX/  
    RL!Oi|8  
     J]{QB^?  
    &e E=<x  
    2. 系统参数 ,:%CB"J  
     ]A~WIF  
    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。 t{xf:~B  
    rDm~h~u5  
     Zq+v6fk_Mn  
    [tlI!~Z  
    3. 说明：平面波(参考) );#JL0I  
    '@o;-'b  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 Of*Pw[vD  
    4 {y)TZ  
     tr<Nm6!  
    SIBtmm1W  
    4. 说明：双线钠灯光源 J\+0[~~  
    ((H^2KJn  
    zZL6z4g  
     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。 3@kf@ Vf  
     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)。 I(i}c~ R  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 3O,+=?VK  
    \H1( PA  
     @i 2E\}  
    a L} % 2  
    5. 说明：抛物反射镜 ]D?"aX'q>  
    %KsEB*' "  
    MI/MhkS ?  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 ) pzy  
     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。 ;D3C >7y  
    XW[j!`nlk  
    2L3)#22m*  
    T$>WE= Y  
     (/=f6^}  
    i+A3~w5c  
    6. 说明：闪耀光栅 =$u! 59_dE  
    9+j0q%  
    zwhe  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 1Ir21un  
     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 U>YAdrx2a  
    N4v~;;@(  
    ( l\1n;s*B  
    ASKf '\,dV  
     ND'E8Ke pq  
    \HqNAE2T  
    7. Czerny-Turner 测量原理 F}F&T  
     bp* ^z,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。 BBaQ}{F8>2  
    t>L;kRujVJ  
     i`(XLi}k  
    '}9x\3E  
    = i$Fl{vH  
    8. 光栅衍射效率 | z9*GY6RU  
    1a?!@g )  
    C].iCxn  
     VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 )B T   
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 m}C>ti`VD  
     3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) .8@$\ZRP  
     IoxgjUa  
    tRs [ YK  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd Bn^0^J-  
    7S-ys+  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ]s]vZ  
    ?Y$JWEPJ  
     XeW<B0~  
    xqeyD*s  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 VQ(jpns5  
    IshKH -  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ,$@bE  
    E-4b[xNj*+  
     i5en*)O8  
    A0/"&Ag]  
     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)。 h`]Iy  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 xR-%L  
    cA2V2S)  
    应用示例详细内容 jfP*"uUK  
     ,-$LmECg  
    仿真&结果 |WQBDB`W  
     a+[RS]le  
    1. 结果：利用光线追迹分析 ; ^*}#X d  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 u#Pa7_zBj]  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 RU'=ERYC  
    Z 6t56"u  
     $3W;=Id=+  
    6o!!=}'E[  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd "An,Q82oHf  
     bENdMH";  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 c>,'Y)8   
     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)。 D|lzGt  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， j:^#rFD4?  
    Mz9 r5  
     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。 pf2[ , v/  
    3]OE}[R  
     Bgn&:T8<  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms &x=.$76  
     v6[!o<@"a  
    3. 衍射效率的评估 \<&m&%Zs  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 uX"H4l O~  
    )s)I2Z+  
     T]R|qlZ  
    比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 rK@8/?y5  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 9?A)n4b;  
     %G3h?3  
    4. 结果：衍射级次的重叠 ^7>3a/  
     因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 e2L0VXbb  
     VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 '@cANGg7[  
     0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 wc0jhHZO ?  
     通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) A|CmlAW~^  
     光栅方程： &LmJ!^#  
     __lM7LFL  
    &Q9qq~  
    ucuSe!IcX  
    b}OY4~ Y4  
    5. 结果：光谱分辨率 9V'%<pk''(  
    )bA;?i  
     wGU*:k7p  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run v:EB*3n5  
     #c!*</  
    6. 结果：分辨钠的双波段 x[4`fM.m*  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 NWP5If|'X  
       hMzs*gK  
    E_gD:PPU5  
     LZ\q3 7UV  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 HvUxsdT  
    V GL aN%|  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run < z+t,<3D  
    Okgv!Nt8)A  
    7. 总结 cO-7ke  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 68bQ;Dv  
    1. 仿真 zqd@EF6/bz  
    以光线追迹对单色仪核校。 :fKl]XO  
    2. 研究 V @rI`~$  
    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。 ,4 hJT  
    3. 应用 B*qi_{Gp  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 pb^i^tA+A  
    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^XGGB0  
    扩展阅读 Z<U6<{b  
    1. 扩展阅读 iz5CAxm  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 9*$t!r{B@  
    3NZK*!@ '  
     开始视频 cD@(/$wt  
    - 光路图介绍 w;D+y*2  
    - 参数运行介绍 (w&F/ynO:  
    - 参数优化介绍 4pe'06:  
     其他测量系统示例： YW-usvl&  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) W"724fwu&  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) jnd[6v=C7-  
     
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