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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) ]wn/BG)  
    q3e8#R)l  
    应用示例简述 HM[klH]s=  
     ~W0(1# i  
    1.系统说明 f>9s!Hpu_  
     lTRl"`@S  
    光源 2B1xUj ]  
    — 平面波(单色)用作参考光源 OEhHR  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) U7$WiPTNL9  
     组件 xi~uv?f  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 "?}uQ5f  
     探测器 5N7H{vT_  
    — 功率 JgRYljQi2  
    — 视觉评估 nA7M8HB  
     建模/设计 c "= N  
    — 光线追迹：初始系统概览 O'*@ Ytn  
    — 几何场追迹+(GFT+)： B}?IEpYp  
     窄带单色仪系统的仿真 63WS7s"  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 /1w2ehE<  
    .3qu9eP   
    2.系统说明 T? ,P*l  
    zDOKShG  
     njPPztv/@  
    ? zDa=7 J  
    3.系统参数 "B7`'jz  
    V7Yaks  
     wE\3$ s/{D  
    XL}"1lE  
    W-~n|PX8+  
    4.建模/设计结果 dP2irC%f8  
     e 8\;t"D  
    2;3f=$3  
     Y4.Eq+$gh  
    总结 0u B'g+MU`  
     c"tJld5F_  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 &^&zR(o`  
    1. 仿真 TtD@'QXq  
    以光线追迹对单色仪核校。 E; $+f  
    2. 研究 >JwLk[=j  
    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。 ~V=<3X  
    3. 应用 7Z,opc  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 PCrU<J 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。 FCj{AD  
     $ <8~k^  
    应用示例详细内容 SO\/-]9#  
    系统参数 I751 t  
     d)o!5L  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 G_H?f\/  
    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。 -f1k0QwL  
    T'-FV  
     `?(Bt|<>  
     $!@\  
    2. 系统参数 `Pn[tuIO  
     `Hx~UH)  
    元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 q"qo.TPh|$  
    tMx}*l|]  
     D#A~Nbc  
    r,P1^uHx  
    3. 说明：平面波(参考) va|*c22;|  
    SAV%4  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 J T# d(Y  
    2Se?J)MN  
     H5cV5E0  
    o KD/rI  
    4. 说明：双线钠灯光源 $h[Q Q-  
    Lw7=+h)  
    )}%O>%  
     为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 lS^(&<{  
     双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 \vfBrN  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 6(|d|Si *c  
    C`jM0Q  
     IxR?'  
    _M[,! {C  
    5. 说明：抛物反射镜 vR6Bn  
    -m= 8&B  
    sd#|3  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 PYRd] %X  
     出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 ^I mP`*X  
    'uDjFQX  
    _lKZmhi  
    iJxQB\x  
     Nr<`Z  
    m4E)qCvy  
    6. 说明：闪耀光栅 RyB~Lm`ZK%  
    ^04Q%,  
    P|2E2=G  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 39F O f  
     通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 !  Z`0(d  
    Z4$cyL'$P  
    7`IpBm<  
    FOwDp0  
     )Rat0$6  
     =$8nUX`  
    7. Czerny-Turner 测量原理 P #F=c34u  
     p,pR!qC>  
    通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 )?M9|u  
    K ]OK:hY4  
     }0`nvAf  
    , B&fFis  
    WnwhSr2  
    8. 光栅衍射效率 >R{qESmP=  
    @pI5lh  
    :f5s4N  
     VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 I-]>d;4.  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 m\>a,oZH  
     3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) G!8Z~CPF  
     qrvsjYi*w  
    @UBjq%z  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd K'iIJA*Sn  
    `I$<S(h 7  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 \? j E#^  
    o[ENp'r  
     .I VlEG0  
    5 )2:stT73  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ^[Ua46/"m  
    *?+V65~dW  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 Dlo xrdOY&  
    Bx"7%[  
     Nfe>3uQK  
    nhSb~QqEh  
     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)。 xt'tL:d  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 f\;65k_jq  
    6+V\t+aug  
    应用示例详细内容 `6y{.$ z  
     )2UZ% ?V#  
    仿真&结果 ]%uZ\Q;9p  
     z|?R/Gf8  
    1. 结果：利用光线追迹分析 qjJBcu_C'S  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Sp}D ;7  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 gx03xPeu  
    4`Nt{  
     ;TcvA  
    P^MOx4  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ;o/>JHGj  
     S~qZr  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 H$ftGwS8  
     通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 s%iOUL2/  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， H4OhIxK  
    d_S*#/k  
     通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 wOQ#N++C  
    s{ V*1$e~  
     PUQES(&  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 2>} xhQJ  
     &Gm$:T'~  
    3. 衍射效率的评估 y5= `ap  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 e98lhu"|H  
    k~%<Ir1V]  
     GN#<yv$av  
    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。 b1pQ`qt  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd x\?;=@AW  
     c4e_6=Iv  
    4. 结果：衍射级次的重叠 ^^i6|l1  
     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。 *O:r7_ Y0  
     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)。 yix'rA-T  
     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。 )Fd HV;K  
     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) UE _fpq  
     光栅方程： j9qREf9)  
     E'1+Yq  
    C\_zdADUb%  
    Q|}a R:4  
    X.ONa_  
    5. 结果：光谱分辨率 rI5F oh6  
    o sbHs$C  
     A>VI{  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run * v8Ts  
     )PkNWj6%y  
    6. 结果：分辨钠的双波段 d#:3be{|&q  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 _FbC{yI8;  
       4@ILw  
     O#nR>1h  
     ?3z-_8#  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 fsO9EEn7 X  
    =U OLT>!  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 8T;IZ(s  
    KDi|(  
    7. 总结 I4rPHZ|  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ,~ ?'Ef80  
    1. 仿真 3 <|`0pt}  
    以光线追迹对单色仪核校。 !DjvsG1x  
    2. 研究 ?[ly`>KpJ  
    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。 Y**|N8e  
    3. 应用 "%WgT2)m.  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 (VyNvB  
    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。 puSLqouTM  
    扩展阅读 : Ud[f`t  
    1. 扩展阅读 YF#H Sf7  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 1rw0sAuGy  
    DG(7|`(aY  
     开始视频 #Z=tJ  
    - 光路图介绍 J?)RfK|!  
    - 参数运行介绍 F}Mhs17!|  
    - 参数优化介绍 hovGQHg  
     其他测量系统示例： wYeB)1.  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001)  (dJI_A  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) I4H`YOD%  
     
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