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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)  WTi8  
    E )D*~2o/  
    应用示例简述 mx  s=<  
     T1ZAw'6(K  
    1.系统说明 oGpyuB@A/  
     a5o&6_  
    光源 >jU.R;H5  
    — 平面波(单色)用作参考光源 -Y'Qa/:7  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) `9SRiy  
     组件 nunTTE,iq%  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 dwOB)B@{H  
     探测器 g1-^@&q  
    — 功率 H8j#rC#&pm  
    — 视觉评估 F"xD^<i  
     建模/设计 F8S -H"  
    — 光线追迹：初始系统概览 Y85M$]e,  
    — 几何场追迹+(GFT+)： S0C 7'H%?#  
     窄带单色仪系统的仿真 @O b$w1c  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 r(./00a  
    [4'C4Zl  
    2.系统说明 \v bU| a  
    l@ vaupg  
     dXgj  
    uxF88$=!t  
    3.系统参数 SBo>\<@  
    uev$5jlX  
     wS"[m>.{v  
    5tI4m#y2  
    qCg`"/0  
    4.建模/设计结果 p$dVGvM(  
     9dl\`zlA*  
    86!"b  
     CHp`4  
    总结 G v(bD6Rz  
     t_1a.Jv  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Z3E957}  
    1. 仿真 !\wdX7%  
    以光线追迹对单色仪核校。 Dpp 3]en.  
    2. 研究 a=bP   
    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。 J+IQvOn_|  
    3. 应用 "X~ayn'@w,  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 .RocENO0  
    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。 S\2QZ[u  
     y&T(^EA;  
    应用示例详细内容 W,~s0a!  
    系统参数 rug^_d=B  
     Srw ciF  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 >}{'{ Z &  
    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。 %/!n]g-  
    #@xSR:m  
     SiJ0r @  
    |&vQ1o|}  
    2. 系统参数 $!P(Q  
     Z(LDAZG  
    元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 iR j/Tm*T'  
    _[}r2,e  
     W!B4~L  
    j.O7-t%C  
    3. 说明：平面波(参考)  5|2v6W!e  
    OM5"&ZIZb  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 g7!P|  
    yGl (QLk  
     -kY7~yS7  
    (3YqM7cqt  
    4. 说明：双线钠灯光源 o3*IfD  
    x  8lgDO  
    yIC.Jm D*  
     为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 JJJlgr]#  
     双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 u,<I%  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ct='Z E  
    -FA]%Pl<'  
     *yp}#\rk  
    AD$k`Cj  
    5. 说明：抛物反射镜 Iw(2D(se  
    h*2Q0GRX  
    m)4s4P57y  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 ]UyIp`nV;  
     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。 is&A_C7yg  
    |@pJ]  
    >xu}eWSz  
    .Lz\/ OS  
     M##h<3I  
    <]I[|4J 7  
    6. 说明：闪耀光栅 +k]9n*^uz  
    F*QZVg+<*X  
    ?CGbnXZ4Ug  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 D&_Ir>"\  
     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 rqk1 F~j|  
    3c] oU1GfF  
    tK)E*!  
    Kd}cf0  
     1GB$;0 W),  
    Q`ERI5b6  
    7. Czerny-Turner 测量原理 3XY;g{`=q  
     g+8{{o=  
    通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 m#Rgelhk.  
    Wj2]1A  
     p~1,[]k  
    -+4:} sD  
    S)Cd1`Gf  
    8. 光栅衍射效率 P6w!r>?6N  
    RE/'E?G  
    l]R O'  
     VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 N}x \Ll  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 A2 r1%}{  
     3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) |0YDCMq(  
     J =o,: 3"  
    "e62g  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd +^$FA4<~  
    E>~DlL%  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 4L#q?]$  
    [?u iM^&  
     i6wLM-.)  
    I$sJ8\|gw'  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 1zNH[   
    Unev[!  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 }.O,P'k  
    4$9WJ ~V{  
     H@0i}!U64  
    TV)bX  
     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)。 Fy^*@&  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 FC<aX[~&3  
    i)fAm$8# G  
    应用示例详细内容 vfAR^*7e  
     u'cM}y&  
    仿真&结果 ecIxiv\  
     1(0LX^%  
    1. 结果：利用光线追迹分析 `*nVLtT Y  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 fiA_6  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 :-HVK^$%  
    s.z(1MB]  
     <a%9d<@m  
    `hYj0:*)S$  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 5]yQMY\2)  
     5Mm><"0  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 27q 9zi!Q  
     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)。 X3zk UMk  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， ;&4}hPq  
    (xw)pR  
     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。 8'J"+TsOW  
    ; V)pXLE  
     LwIl2u*  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms *gMo(-tN  
     !-1UJqO  
    3. 衍射效率的评估 5X>b(`  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 V'(yrz!   
    rvjPm5[t  
     K?0f)@\nx  
    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。 4'JuK{/ A7  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd "IbXKS>t  
     lA}(63j+b  
    4. 结果：衍射级次的重叠 u*:B 9E  
     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。 Z{"/Ae5]  
     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)。 F|\^O[#R  
     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。 yT<6b)&*&  
     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) Y?G9d6]Lk6  
     光栅方程： ?pq#|PI)  
      5,  
    /KD KA)  
    vAZc.=+ >  
    =\mAvVe  
    5. 结果：光谱分辨率 .OI&Zm-  
    1fwjW0t  
     AwrW!)n }  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run Y'tPD#|r  
     1FC'DH!  
    6. 结果：分辨钠的双波段 Cx(|ZD^  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 82ay("ZY  
       F)dJws7-  
    o%dKi]  
     ;"/[gFD5u  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 7,0^|P  
    &&Ruy(&]I  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run t"[ xx_i  
    $80 TRB#  
    7. 总结 m~`d<RM/  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 9z>I&vcX  
    1. 仿真 B!:%^S  
    以光线追迹对单色仪核校。 8 nCw1   
    2. 研究 wuRB[KLe  
    应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 g}(yq:D  
    3. 应用 mO];+=3v8  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 J_PAWW  
    可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 Wtl/xA_  
    扩展阅读 5P=3.Mk  
    1. 扩展阅读 Cq mtO?vne  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 5]_m\zn=  
    M*XAyo4 fI  
     开始视频 y.h2hv]Bc  
    - 光路图介绍 zx<:1nF,]  
    - 参数运行介绍 [ 6+iR  
    - 参数优化介绍 &>Zm gz  
     其他测量系统示例： 7 YS'Tf  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) z$#q'+$  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) er<yB#/;-  
     
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