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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) ~55>uw<  
    4a-wGx#h  
    应用示例简述 M .,|cx  
     FhGbQJ?[3  
    1.系统说明 14RL++  
     . {I7sUQ  
    光源 Sf9+TW  
    — 平面波(单色)用作参考光源 8@-US , |  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) $G3P3y: [  
     组件 }qTvUs  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 RS~oSoAE  
     探测器 \#slZ;&s  
    — 功率 3$Je,|bs  
    — 视觉评估 i ^#R iCeo  
     建模/设计 ?W()Do1tR  
    — 光线追迹：初始系统概览 I$$!YMm.N  
    — 几何场追迹+(GFT+)： V6Y!0,w!a  
     窄带单色仪系统的仿真 I,D=ixK  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 /1*\*<cs  
    ~&kV  
    2.系统说明 @y+Wl*:  
    A.n1|Q#  
      l}JVRU{  
    qp Z ".  
    3.系统参数 @ o]F~x  
    AWw'pgTQX  
     3iB8QO;pp  
    79\ =)m}$Q  
    )j](_kvK  
    4.建模/设计结果 0/c4%+ Ln  
     AWw:N6\  
    g& {YHq^+  
     @_;6 L  
    总结 B$)KZR(u  
     7{6wNc  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 + EM '-  
    1. 仿真 _b+3;Dy  
    以光线追迹对单色仪核校。 BJqM=<nQ  
    2. 研究 'SC`->F4D  
    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。 &4DWLI  
    3. 应用 )9}z^+TH  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 E5B:79BGO  
    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。 C3|M\[*fp  
     =T[kGg8`  
    应用示例详细内容 $N~8 ^6  
    系统参数 Jg@PhN<9  
     q?`bu:yS  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 }nkX-PG9  
    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。 zT.qNtU%  
    'En6h"{  
     Y}PI{PN  
    }=NjFK_6  
    2. 系统参数 `w2hJP  
     t|1?mH9  
    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。 $cnIsyKWY  
    QD<f) JZK  
     k5(@n>p  
    :dK/}S0  
    3. 说明：平面波(参考) p"w"/[8  
    Tw=Jc 's  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 5Osx__6$t  
    (z\@T`6`  
     1Jt5|'tl  
    LNtBYdB`pK  
    4. 说明：双线钠灯光源 h49|x&03  
    M#UW#+*g!  
    $)mK]57  
     为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 ;mu^WIj  
     双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 NZ7g}+GTG  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 O)n"a\LD  
    Z  G3u  
     Y:XE4v/)@L  
    HTA Jn_  
    5. 说明：抛物反射镜 (w}iEm\b  
    LY(YgqL  
     R5(<:]  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 q#$Al  
     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。 gs7h`5[es  
    Wxx? iW ,  
    Bvb.N$G  
    4$ya$Y%s%  
     R7pdwKD  
    -{n2^vvF  
    6. 说明：闪耀光栅 -^yb[b,  
    ssj(-\5  
    lV<2+Is  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 "^Y)&<J&  
     通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 PT4Wox9U  
    g<(3wL,"  
    z><u YO$  
    3D|Y4OM  
     >zx]% W  
    1$mxMXNsJ  
    7. Czerny-Turner 测量原理 sxc^n aK0  
     .LMOmc=(  
    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。 RrB)u?  
    DO6Tz -%o  
     q=Xda0c  
    ~0/tU#&  
    }(tuBJ9  
    8. 光栅衍射效率 \A "_|Yg  
    |W $epOLg  
    ]$Ud`<Xnx  
     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%$@ZYW  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 S\wh *'Y  
     3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) q+<<Ku(20  
     Em6P6D>S>,  
    TEB<ia3+  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd d6RO2^  
    CcDmZ  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 Qk`ykTS!  
    hv. 33l  
     .0ov>4,R  
    GTYCNi66  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 M( eu wy  
    4DLp +6zP  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 Dqxtc|vo  
    KH=4A-e,0  
     Ku 'OM6D<  
    /kZ{+4M  
     增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 'J[ n}r  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 ;pH&YBY  
    l(Y U9dp  
    应用示例详细内容 2D'b7zPJ3  
     NI<;Lm  
    仿真&结果 `qXCY^BH2  
     xbTvv>'U  
    1. 结果：利用光线追迹分析 6_rgj{L  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 k_,wa]ws$  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 7NQ@q--3s  
    II,snRD  
     BdMmeM2h  
    !EwL"4pPw  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd @3aI7U/I  
     <i1.W !%  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 'B"A*!" b  
     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)。 xPcH]Gs^b  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， U=Hx&g  
    M~!DQ1u  
     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。 7^hwRZJ{  
    ?7eD< |  
     ,ve$bSp  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ZC!GKW P2  
     _yH=w'8.  
    3. 衍射效率的评估 fGf C[DuY  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 =QG0:z)K<v  
    Shag4-*@hi  
     sM  _m  
    比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 Z\ 1wEGP7{  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd =X24C'!Mpe  
     _?m%i]~o  
    4. 结果：衍射级次的重叠 ]A.tauSW  
     因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 97L|IZ s)  
     VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 Dpf"H  
     0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 2cu?2_,  
     通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) 9|K3xH  
     光栅方程： <q<kqy5s-R  
     2sXNVo8`w"  
    F-&=N {+  
    loR,f&80=O  
    R{0nk   
    5. 结果：光谱分辨率 )_-EeH  
    Q[Xh{B  
     V W2+ Bs}  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run G Ch]5\  
     {OBV+}#  
    6. 结果：分辨钠的双波段 N#!**Q 0  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 Jp#Onl+d6  
       'G>gNq  
    -,Y[`(q  
     k  __MYb  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 .9'bi#:Cw  
    ]A%S&q  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run A6faRi703  
    EH2a  
    7. 总结 7JL*y\'  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 =|Vm69  
    1. 仿真 b>_eD-  
    以光线追迹对单色仪核校。 T x 6\  
    2. 研究 R&P}\cf8T  
    应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 5U[bn=n  
    3. 应用 6:$+"@ps  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 |w)S &+  
    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。 079mn/8;  
    扩展阅读 G~$[(Fhk  
    1. 扩展阅读 |tua*zEsS  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 JrA\ V=K  
    _ giZ'&l!  
     开始视频 ~IIlCmMl,  
    - 光路图介绍 Sb,lY<=  
    - 参数运行介绍 2J0N]`|)  
    - 参数优化介绍 E3`&W8  
     其他测量系统示例： )(`HEl>-9c  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) _G1C5nkDl4  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) F4$N:J kl  
     
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