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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) *)6:yn  
    CE'd`_;HLn  
    应用示例简述 l".LtUf-  
     N^{"k,vB-  
    1.系统说明 OcBK n=8  
     /kLG/ry8l:  
    光源 !BocF<UE  
    — 平面波(单色)用作参考光源 k_^| %xJ  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) 0"*!0s ~  
     组件 bCv^za]P6  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 GRt1]%l#$  
     探测器 f ;[\'_.*  
    — 功率 |@a.dgz,  
    — 视觉评估 dZ1/w0<M2  
     建模/设计 ?'@tx4#v\2  
    — 光线追迹：初始系统概览 8N8N)#A[  
    — 几何场追迹+(GFT+)： ;U02VguC  
     窄带单色仪系统的仿真 Y] ZNAR  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 HFr#Ql>g  
    U=<d;2N#  
    2.系统说明 COF_a%  
    )_vE"ryThA  
     ]Ywj@-*q  
    U',9t  
    3.系统参数 /:YJ2AARY  
    nMniHB'  
     mkR1iY  
    w A0 $d  
    >8pmClVvmR  
    4.建模/设计结果 -W^jmwM   
     ]Tb ?k+a  
    X/5\L.g2  
     |m^qA](M  
    总结 [%8t~zg  
     Hq[vh7Lux  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 A 11w{`EM  
    1. 仿真 2W}f|\8MX  
    以光线追迹对单色仪核校。 M:!Twz$  
    2. 研究 M=mzl750M  
    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。 `eF&|3!IYQ  
    3. 应用 |\1!*Qp  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 N^G:m~>  
    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。 dW32O2@-  
     :f~[tox  
    应用示例详细内容 "1<>c/h  
    系统参数 ;Y&<psQeb  
     !L+4YA  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 d:U2b"k=/u  
    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。 QWo_Zg0"  
    0={@GhjApL  
     ; W/K7}  
    HG1)q\Xd  
    2. 系统参数 y5td o'Ex  
     q,ry3Nr4n  
    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。 36NENzK  
    rQ^X3J*`  
     Hcp)Q76X  
    {HJzhIgCf  
    3. 说明：平面波(参考) :GXD-6}^|  
    >O{U4_j@(  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 ~f.fg@v`+v  
    'u \my  
     kl0!*j  
    $_j\b4]%  
    4. 说明：双线钠灯光源 '|zkRdB*Lq  
    &8l"Dl  
    mSw$? >  
     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。 O4Wn+$AN  
     双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 (8[etm  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 Cr!}qZq  
    .>5KwEK~  
     4K_fN  
    %n^jho5  
    5. 说明：抛物反射镜 ]BY^.!Y  
    4CzT<cp  
    {,Y?+F  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 X+'z@xpj  
     出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 S%h[e[[fST  
    B74L/h  
    *5SOXrvhu6  
    S,K'y?6  
     kRCuc}:SB  
    &"D *  
    6. 说明：闪耀光栅 ?w{lC,  
    w]4=uL6  
    (*.t~6c?5  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 ?2Q9z-$  
     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 e<Hbm  
    :8}iZ.  
    6Un61s  
    we6kV-L.  
     eR'Df" +  
    6x1 !!X+)+  
    7. Czerny-Turner 测量原理 sh $mOy  
     J! ;g.q  
    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。 7pB5o2CD0  
    :Hk:Goo2  
     P'.M.I@  
    '$5.{o`s*1  
    TM|M#hMS  
    8. 光栅衍射效率 6g/ <FM  
    VDCG 5QP6(  
    %SV5 PO@  
     VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 ub C(%Y_k  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 2OXcP!\Y  
     3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) ZI'MfkEZ*  
     fS08q9,S/  
    >900I4]I  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd kB|j N~  
    KO`ftz3 +  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 s "KPTV  
    L*k[Vc  
     ?(9/V7HQ.5  
    \a:#e%]qz9  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 Y\7>>?  
    R3nCk-Dq  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 XcOfQ s  
    @ ;%+Ms  
     'z=WJV;Vs  
    hdL/zW7]  
     增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 Yp_ L.TTb  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 #) eI]  
    RlRkw+%m  
    应用示例详细内容 up[9L|  
     (w31W[V'#  
    仿真&结果 Kjw4,z%\94  
     m `"^d #  
    1. 结果：利用光线追迹分析 \Tf$i(0q  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 pmm?Fq!s=  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 q=NI}k  
    "m*.kB)e7  
     6#A g^A  
    @Q!Jzw#B  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd XCCh*qym  
     w! J|KM  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 mAycfa  
     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)。 g"k1O  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， Vu @2  
    _a;E>   
     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。 |Ai/q6u  
    K gN=b  
     'r&az BO  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms \!!qzrq  
     ~SI`%^L  
    3. 衍射效率的评估 6f"jl  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 "Di27Rq  
    j_` [Z  
     []i/\0C^  
    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。 @ |bN[XL  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd s)Gnj;  
     N$\'X<{  
    4. 结果：衍射级次的重叠 j7(sYo@x7  
     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。 !n;0%"(FH  
     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)。 rF9|xgFK  
     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。 [i[*xf-B  
     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) {1 VHz])I  
     光栅方程： $8/=@E{51  
     nWfzwXP>_  
    ]!7 %)  
    n$2Ia E;v  
    /_WA F90R?  
    5. 结果：光谱分辨率 U0%T<6*H  
    #?x!:i$-  
     _?]0b7X  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run i D6f/|g  
     '}4z=f`}  
    6. 结果：分辨钠的双波段 l ga%U~  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 vbt0G-%Z  
       r6.`9  
    d=` a-R0  
     ;rggO0Y  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 &a;{ed1B  
    / .wO<l=  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run \ a#{Y/j3  
    / @v V^!#1  
    7. 总结 X;e=d+pw  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 |`T$Iq  
    1. 仿真 y4\(ynk  
    以光线追迹对单色仪核校。 pZE}<EX  
    2. 研究 *5|;eN  
    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。 Vy.gr4Cm  
    3. 应用 ,6J{-Iu  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 !.2tv  
    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。 {GH0> 1&  
    扩展阅读 ~FP4JM,y6  
    1. 扩展阅读 v3p0  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 #mIgk'kW<  
    c-GS:'J{  
     开始视频 Abw=x4d(i  
    - 光路图介绍 l|kGp~  
    - 参数运行介绍 <?2g\+{s9  
    - 参数优化介绍 OO?;??  
     其他测量系统示例： ?l> <?i  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) J-UqH3({Z,  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Y)O88C  
     
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