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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: 2023-04-11
    测量系统(MSY.0003 v1.1) 'xO5Le(=M  
    fh rS7f'Zd  
    应用示例简述 v[efM8  
     1an?/j,  
    1.系统说明 %J`cYn#  
     $ f`\TKlN  
    光源 o/uA_19  
    — 平面波(单色)用作参考光源 UOTM>d1P  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) \-A=??@H  
     组件 D@ :w/W  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 NE Br) ~  
     探测器 yHS=8!  
    — 功率 U&W{;myt  
    — 视觉评估 _&0_@  
     建模/设计 V-Ebi^gz5W  
    — 光线追迹：初始系统概览 pF~[  
    — 几何场追迹+(GFT+)： :{za[,  
     窄带单色仪系统的仿真 NYS |fa  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 US<bM@[  
    /:-8 ,`  
    2.系统说明 [v7)xV@c  
    [~cb&6|M  
     ;9w: %c1  
    :xdl I`S  
    3.系统参数 `?Wy;5-  
    nt$V H  
     0 t.'?=  
    :G+8%pUX]  
    y#%*aV}|B  
    4.建模/设计结果 :_ _z?<?(  
     [ 0? *J<d  
    F' eV%g  
     &PJ&XTR  
    总结 a`]Dmw8@  
     Q a(>$.h  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ,^]yU?eU  
    1. 仿真 ^Fmp"[q  
    以光线追迹对单色仪核校。 U Ke!zI  
    2. 研究 v;=F $3  
    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。 zoFCHs r  
    3. 应用 t[L0kF9en  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 \UKr|[P  
    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。 U Ps7{We W  
     2"Oj* ;  
    应用示例详细内容 LQy`,-&  
    系统参数 lFHj]%Y  
     oA_T9uh[  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ZHQa}C+  
    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。 2<18j  
    `/WX!4eR,  
     $w,&h:.p  
    d9'gH#f?  
    2. 系统参数 6 w"-&  
     v;!f  
    元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 ^zdZ"\x  
    Qyn~Vu43  
     B]):$#{Rxl  
    -ti nL(?3  
    3. 说明：平面波(参考) nYfZ[Q>v  
    #0yU K5J  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 x3dP`<   
    {yPJYF_l  
     lIs<&-0  
    $:v!*0/  
    4. 说明：双线钠灯光源 eVDO]5?  
    C_c*21X  
    9d4Agj M  
     为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 F(?A7  
     双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 e -sZ_<GH  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 @@&([f  
    &y164xn'h  
     9eA2v{!S  
    2m$\]\kCUv  
    5. 说明：抛物反射镜 Oy> V/  
    "oZ$/ap\  
    gO{XD.s  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 5e> <i  
     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。 U_1syaY!  
    v/\in'H~  
    *)+K+J  
    eiiI Wr_7  
     !KYX\HRW  
    @Yv+L)  
    6. 说明：闪耀光栅 VeLuL:4I  
    xy/B<.M1  
    -+#QZ7b  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 bV'^0(Zv  
     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 Sdk:-Zuv  
    WfnBWSA2 T  
    F_Pv\?35z  
    @' V=Vr  
     $)V_oQSqn  
    G)vq+L5%  
    7. Czerny-Turner 测量原理 6*!R'  
     m^6& !`CD  
    通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 !|SVRaS  
    H)eecH$K  
     #n9:8BKf  
    :Adx7!6  
    h3}gg@Fm  
    8. 光栅衍射效率 F@+FXnz  
    G;^},%<  
    +lK?)77f  
     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。 j,HUk,e^&  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 e:&+m`OSH  
     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$z9 (i+  
     PNjZbOmzS  
    8$c_M   
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd >EMsBX  
    -AJ$-y  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 @|N'V"*MT  
    dZMOgZ.!yr  
     Y? 1 3_~ K  
    2HxT+|~d6  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 |zJxR_)  
    51,RbADB  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 -uE2h[X|  
    *5kQ6#l  
     M9 _G  
    X^2Txm d  
     增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 T7wy{;  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 ?Aewp$Bj  
    K`BNSdEN>  
    应用示例详细内容 ?PMF]ah  
     l'~~hQ{h/  
    仿真&结果 \0{g~cU4  
     U c6]]Bbc  
    1. 结果：利用光线追迹分析 ? iX1;c9  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 NXJyRAJ*%  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 "0,d)L0,"  
    a\UhOPFF  
     u{H'evv0O  
    m|7lDfpb  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd !I 7bxDzK$  
     aMUy^>  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 /Ir|& <yB  
     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)。 +c8cyx:^f  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， "agc*o~!F  
    '1$#onx  
     通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 Sxj _gn  
    SGZ]_  
     [RZ}9`V  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms &8l4A=l$  
     o(2tRDT\_b  
    3. 衍射效率的评估 wFgL\[$^|  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 yNVmTb9mF  
    Up(Jw-.  
     Z5oX "Yx  
    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。 sRM3G]nUr  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd <`'^rCWI?  
     BQs~>}(V  
    4. 结果：衍射级次的重叠 34@f(^d+^  
     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。 Ap{2*o  
     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)。 $IuN(#  
     0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 SM<kR1bo  
     通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) ;AFF7N>&  
     光栅方程： v Ft]n  
     k:+Bex$g  
    C*S%aR  
    Ws+Zmpk%  
    $'9b,- e  
    5. 结果：光谱分辨率 nA!Xb'y&  
    [lSQ?  
     ,u^RZ[}  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run + lha=  
     v4:g*MD?~  
    6. 结果：分辨钠的双波段 :6,qp?/  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 208dr*6U  
       7\BGeI  
    .szs?  
     L4)@lmd3  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 A YC22(  
    80/6-_g(  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 0(uNFyIG  
    R*C  
    7. 总结 o9tvf|+z  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 tRqg')y  
    1. 仿真 Jb~nu  
    以光线追迹对单色仪核校。 )u. ut8![T  
    2. 研究 $] js0 )>  
    应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 Dn[iA~  
    3. 应用 W6Os|z9&|  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 :&]THUw  
    可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 8gA:s`ofJ  
    扩展阅读 8a\ Pjk  
    1. 扩展阅读 VTDp9s  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 )N) "O? W9  
    x*)@:W!  
     开始视频 yM3]<~m  
    - 光路图介绍 l_G&#sQ0  
    - 参数运行介绍 7VP[U,  
    - 参数优化介绍 o'W[v0> L-  
     其他测量系统示例： Q7ez?]j6  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) WSdTP$?  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) G(alM=q  
     
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