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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 正序阅读 楼主  发表于: 2023-04-11
    测量系统(MSY.0003 v1.1) :&a|8Wi[W  
    J#D!J8KP7  
    应用示例简述 Og,,s{\  
     Q!"Li  
    1.系统说明 ~MXPiZG?  
     $<y b~z7J  
    光源 O,bj_CWx  
    — 平面波(单色)用作参考光源 k_^d7yH  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) $zdJ\UX  
     组件 $EtZ5?qS  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 G U!XD!!&  
     探测器 Qn<< &i~  
    — 功率 vI+PL(T@  
    — 视觉评估 Q0r_+0[7j  
     建模/设计 jeJGxfii  
    — 光线追迹：初始系统概览 I*24%z9  
    — 几何场追迹+(GFT+)： O aZ~  
     窄带单色仪系统的仿真 MVTU$ 65  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 YZoH{p9f  
    Bg#NB  
    2.系统说明 } HvVL}7  
    ]=pEs6%O3  
     }q~A( u  
    r` 3)sc  
    3.系统参数 :Ct} ||9/  
    \Q3m?)X=Gd  
     qV(Plt%  
    .t["kaA  
    SQliF[-  
    4.建模/设计结果 ` "9Y.KU  
     xR%CS`0R  
    yP"_j&ef7  
     \F<]l6E  
    总结 #4|?;C)u\  
     @@I2bHy vb  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 1r8]EaI  
    1. 仿真 ZkK +?:9  
    以光线追迹对单色仪核校。 M"P$hb'F  
    2. 研究 `HHbQXB  
    应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 hup]Jk  
    3. 应用 +C+3DwN  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 9J1&g(?>-  
    可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 ^beW*O!  
     d$>1 2>>  
    应用示例详细内容 5[;^Em)C  
    系统参数 n'R 8nn6^  
     CwT52+Jb  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 nhy3E  
    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。 +]AE}UXZoh  
    inhb>zB  
     3nG(z>  
    O[8Lp?  
    2. 系统参数 KJ~f ~2;  
     v|`)~"~  
    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。 1*=[% d7  
    (apAUIE  
     |"ck;.)  
    yyZjMnuD  
    3. 说明：平面波(参考) B]kz3FF  
    T%ha2X=  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 T9(~^}_+9  
    ; xs?^N|  
     VGe/;&1h  
    0w\gxd~'  
    4. 说明：双线钠灯光源 ^&.F!  
    2O4U ytN  
    Ot(EDa9}IJ  
     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。 56L>tP  
     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)。  EI+.Q  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 Z|3l2ucl  
    S"fnT*:.%  
     9}5Q5OZ  
    ;;UvK v  
    5. 说明：抛物反射镜 rj,Sk~0Q  
    U-|g tND  
    [5:F  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 qA*QFQ'-  
     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。 whvM^  
    \ar.(J  
    F!.@1Fi1  
    ncu> @K$n  
     Fnr*.k  
    2 0hE)!A  
    6. 说明：闪耀光栅 PN<Y&/fB  
    >j\zj] -"  
    sHAzg^n}r  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 A4'v Jk  
     通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 d~YDg{H  
    "j~=YW+l  
    .w&{2,a3  
    |QXW$  
     `Ol*"F.+I  
    3WaYeol`  
    7. Czerny-Turner 测量原理 lOYwYMi  
     R0{n0Br  
    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。 :#b[gWl0Ru  
    {T=I~#LjMI  
     '0w'||#1  
    ptrLnJ|%  
    v%B^\S3)  
    8. 光栅衍射效率 5>/,25 99  
    {Uu7@1@n  
    u9'4q<>&  
     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。 2D&tDX<  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 G+}|gG8  
     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) fz,8 <  
     [|uAfp5R  
    :m-HHWMN  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd ?6~RGg  
    Le#bitp  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 `/0X].s#o  
    c1e7h l  
     Dh J<\_;  
    RM QlciG  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 H6*F?a`)I  
    ~pwp B2c  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 b Kv9F@  
    fv#e 8y  
     %-H  
    G8eAj%88  
     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)。 Rl<~:,D  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 BDc*N]m}B1  
    Pxy(YMv  
    应用示例详细内容 R6CxNPRJ  
     !P#lTyz  
    仿真&结果 RIb< 7  
     ;nSaZ$`5  
    1. 结果：利用光线追迹分析 .(nq"&u-*  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Nqewtn9n  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 5-aCNAF2  
    jb fMTb4  
     F5{~2~Cw(  
    a+,)rY9  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd Vh4z+JOC  
     u6cWLV t  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 /?HRq ?n  
     通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 b8Y1.y"#  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， lbTz  
    lv,8NmP5  
     通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 HrWXPac A  
    ) Q]kUG#`  
     &+ JV\  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ]%F3 xzOk  
     44($a9oa2  
    3. 衍射效率的评估 V=\&eS4^"  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 ] E`J5o}op  
    x^9W<  
     Xy=|qu  
    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。 w,9$*=k  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd Cm(Hu  
     xlv:+  
    4. 结果：衍射级次的重叠 {_KuztJGA  
     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。 DJT)7l{  
     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)。 jHTaG%oh  
     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。 %\Ig{Rj;  
     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) NNb17=q_v  
     光栅方程： ${0Xq k  
     pA"pt~6  
    }a|S gI  
    ZXe[>H  
    q$~S?X5\  
    5. 结果：光谱分辨率 ;m{[9i` 2  
    H Viu7kue`  
     \D>'  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ke'p8Gz  
     boJQ3Xc  
    6. 结果：分辨钠的双波段 U~!97,|ic  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 OA&NWAm4  
       ]oXd|[ G  
    ?r2Im5N  
     }0}J  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 &%C4rAd2  
    >c8zMd  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run yEzp+Ky  
    {b7P1}>-*  
    7. 总结 .@/5Ln  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 5H""_uw  
    1. 仿真 l{_>?]S5  
    以光线追迹对单色仪核校。 (;V]3CtU*  
    2. 研究 6@; w%Ea  
    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。 x !]ZVl]  
    3. 应用 SDcD(G  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 NJLU +b yU  
    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。 12;" K?7{  
    扩展阅读 Bn}@wO  
    1. 扩展阅读 Y')in7g  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 H /*^$>0Uo  
    u.1u/o1"  
     开始视频 nRb#M  
    - 光路图介绍 ~|R"GloUw  
    - 参数运行介绍 -Y2h vC  
    - 参数优化介绍 I`p44}D3  
     其他测量系统示例： `61VP-r  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 80c\O-{  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) '?wv::t  
     
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