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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) ,GnU]f  
    uCfp+  
    应用示例简述 $@k w>2  
     U9 *2< c  
    1.系统说明 2oG|l!C  
     XE*bRTEw  
    光源 q)b?X ^  
    — 平面波(单色)用作参考光源 3= zQ U  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) J"%}t\Q  
     组件 uP2a\C,$  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 a4RFn\4?  
     探测器 ?\M6P?tpo&  
    — 功率 u(Sz$eV  
    — 视觉评估 ~{G: ,|`  
     建模/设计 A_~5|  
    — 光线追迹：初始系统概览 SYPMoE!U:  
    — 几何场追迹+(GFT+)： <,4(3 >js  
     窄带单色仪系统的仿真 Jk`)`94 I  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 3og$'#6P  
    f {Z%:H  
    2.系统说明 E_1I|$  
    ](:FW '-  
     Q5n : f+  
    jsd]7C  
    3.系统参数 (x0*(*A}  
    `j}d=zZ  
     DF|s,J`98  
    PZRn6Tc  
    qU*&49X  
    4.建模/设计结果 X\2hKUkT  
     :yjK*"T|OD  
    t`ceVS  
     >TnQ4^;v.  
    总结 '#PqI)P  
     0uO=wOIhH  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 qK vr*xlC  
    1. 仿真 2 RUR=%C  
    以光线追迹对单色仪核校。 e)dWa'2<  
    2. 研究 poYAiq_3T  
    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。 2qMsa>~  
    3. 应用 33'lZ ubV  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 UW[{d/.wC  
    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。 g+ 1=5g  
     TTZxkK  
    应用示例详细内容 k+#l;<\2  
    系统参数 EvqAi/(g  
     I#E(r>KW*  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 a<wQzgxG  
    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。 I cR;A\z  
    Tb1}XvZ  
     "E)++\JL  
    _OU.JrqC  
    2. 系统参数 I,4-  
     R=9~*9  
    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。 + i@yZfT  
    ?t0zsq  
     B5,QJ W*  
    yC 7Vb P  
    3. 说明：平面波(参考) "G9'm  
    VMZ]n%XRXW  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 G9n /S=R?  
    hQ}7Z&O  
     xPDA475Cw3  
    Vx6? @R  
    4. 说明：双线钠灯光源 `,Y[Z  
    A?IZ( Zx(`  
    e4=FU&RpNH  
     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。 SQt|(r)  
     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)。 BnaU)E h  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 De nt?  
    vf'cx:m  
     8S1P&+iKs  
    -M:hlwha  
    5. 说明：抛物反射镜 J(EaE2  
    nRXSW&V"m  
    o\]: !#r{T  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 d]7|v r]  
     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。 k)5_1y  
    yD[zzEuQ  
    xdL/0 N3  
    ,zN3? /7  
     F8[B^alAe  
    %]chL.s  
    6. 说明：闪耀光栅 %|*nmIPq(  
    (~ ]g,*+  
    %[Zqr;~l  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 V/3 {^Fcr  
     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 9P7xoXJ@y  
    3"'# |6O9  
    1c)\  
    $AA~]'O>6:  
     (}{_]X|e  
    Hz]4AS  
    7. Czerny-Turner 测量原理 `!nJS|  
     s-C!uq  
    通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 jcEs10y  
     's>#8;X  
     PG6[lHmi  
    iY ^{wi~?  
    ).NcLJw_  
    8. 光栅衍射效率 Ig1lol:;  
    TsaW5ho<p  
    (ve+,H6w\  
     VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 y Y>-MoF/t  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 cW)Oi^q%o2  
     3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) =PNdP  
     X~v4"|a  
    \}$*}gW[}  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd zBk_-'z  
    tS\=<T  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 T[0V%Br{d+  
    "_K}rI6(t  
     Lw>-7)  
    y#S1c)vU  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 |H ^w>mk  
    2#z=z d  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 t a&Q4v&-  
    l60ikc4$I  
     ==]Z \jk  
    29"mE;j  
     增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 aGPqh,<QD  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 [AXsnpa/C  
    XnBm`vk?V!  
    应用示例详细内容 w$gS j/  
     $brKl8P  
    仿真&结果 i{gDW+N  
     f%2%T'Q  
    1. 结果：利用光线追迹分析 %6AYCN?Ih  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 S?*^>Y-e;  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 q}>M& *  
    @&?a]>L  
     qE>i,|rP`  
    P?^JPbfV  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd H}vn$$ O  
     y0,Ft/D  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 +x(YG(5\w  
     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)。 oG!6}5  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， '.pgXsC:=?  
    \WWG>OUh.U  
     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。 ,# ]+HS^B  
    !0`lu_ZN  
     t-_#Q bzE{  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms j*XjY[  
     4 GUA&qs  
    3. 衍射效率的评估 R;WW f.#  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 eaEbH2J  
    Ujf,6=M  
     R0{Qy*YQ`  
    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。 Fav?,Q,n  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd (I[s3EnhS  
     '?5S"??  
    4. 结果：衍射级次的重叠 Q*gnAi&.#  
     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。 NN^QUB  
     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)。 ThtMRB)9  
     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。 *\D}eBd|  
     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) +vf:z?I8  
     光栅方程： [~COYjp  
     CA/ -Gb  
    Uls+n@\!  
    1t.R+1[c  
    a~,Kz\Tt  
    5. 结果：光谱分辨率 ?b56AE  
    > V8sm/M  
     ^;+[8:Kb  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run  7SaiS_{:  
     DY8(g=TI|1  
    6. 结果：分辨钠的双波段 #G[t X6gU  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 e^zHw^js  
       7#ofNH J  
    u\f3qc,]F  
     YGETMIT(  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 E4=qh1d  
    8fh4%#,C%  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run E:)Cp  
    G{+2x N a(  
    7. 总结 6x/s|RWL1  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 9p4y>3  
    1. 仿真 ?pqU3-knH  
    以光线追迹对单色仪核校。 0'`S,  
    2. 研究 "kU]  
    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。 a fx'  
    3. 应用 ->h5T%sn  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 \%TyrY+`K  
    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。 ywO mQcZ  
    扩展阅读 d*2u}1Jo8  
    1. 扩展阅读 P_&p=${  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 JGis"e  
    pM9yOY  
     开始视频 |NJ}F@t/5  
    - 光路图介绍 P\AqpQv  
    - 参数运行介绍 et` 0Je  
    - 参数优化介绍 aBxiK[[`  
     其他测量系统示例： p?JQ[K7i  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) dw9T f^V  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) nR[^|CAR  
     
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