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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: 2024-11-21
    测量系统(MSY.0003 v1.1) bhbTloCR  
    ,=c(P9}^  
    应用示例简述 /lPnf7  
     {.[EXMX  
    1.系统说明 JRZp 'Ln  
     gu~R4 @3  
    光源 mW+5I-~  
    — 平面波(单色)用作参考光源 k'PvQl"I  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) ocMTTVo  
     组件 4<)*a]\c5M  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 z 0zB&}  
     探测器 suW|hh1/Ya  
    — 功率 .X"&k O>G  
    — 视觉评估 J4U_utp  
     建模/设计 \.p; 4V&  
    — 光线追迹：初始系统概览 h(J$-SUs  
    — 几何场追迹+(GFT+)： e>.^RtDF  
     窄带单色仪系统的仿真 ],~[^0  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 J=(i0A  
    zxD=q5in  
    2.系统说明 2Ub-ufkU  
    5} ur,0{  
     #CAZ}];Qx  
    j6$@vA)  
    3.系统参数 }$qrNbLJ  
    JKO*bbj  
     yJO Jw o^  
    *O@Zn  
    j!oX\Y-:&  
    4.建模/设计结果 S')DAx  
     XqhrQU|wM  
    j8bA"r1  
     IMM sOl  
    总结 Iw)m9h  
     ?m7i7Dz   
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 3O1Lv2)_  
    1. 仿真 ZNk[Jn [.  
    以光线追迹对单色仪核校。 !7Qj8YmS  
    2. 研究 8g-Z~~0W1  
    应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 ,`!lZ| U  
    3. 应用 JC~4B3!  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 {D(l#;,iX2  
    可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 "rEfhzmyF  
     /YU8L  
    应用示例详细内容 NV?XZ[<*<  
    系统参数 .d$Q5Qae  
     . .S3-(xW  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 Hg8 4\fA  
    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。 BhbfPQ  
    gW4fwE^  
     &+ PVY>q  
    .3n\~Sn  
    2. 系统参数 |;t{L^  
     vlZmmQeJm  
    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。 `' EG7  
    B B'qbX3xK  
     KLVYWZib  
    "AKr;|m  
    3. 说明：平面波(参考) YRf$?xa  
    02%~HBS  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 uV@' 898%5  
    Fv$w:r]q6  
     nR@mm j  
    Q*1'k%7  
    4. 说明：双线钠灯光源 M.Tp)ig\#  
    iQG]v[$  
    ?1 Vx)j>|  
     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。 :V#xrH8R  
     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)。 3vAP&i'I  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 5!$sQ@#}D  
    89{;R  
     u;1[_~  
    ! 9*l!(  
    5. 说明：抛物反射镜 d7QUg 6=  
    ~]?EV?T  
    u8|CeA  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 !Y7$cU &  
     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。 Cc`-34/%  
    '/9MN;_  
    _?'W30Dg  
    #*"V'dj;e  
     zw$\d1-+h  
    KU0Ad);e  
    6. 说明：闪耀光栅 DcM/p8da  
    `v<S  
    OK`^DIr5l  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 1tiOf~)  
     通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 v UO[V$rx  
    KC2Z@  
    TqV^\C?  
    H]wP \m)  
     +_S0  
    j;D$qd'J  
    7. Czerny-Turner 测量原理 T@#?{eA  
     h&d"|<  
    通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 Vjo[rUW  
    opN4@a7l  
     -JPkC(V7]  
    ~OxFgKn23&  
    {r|RH"|?Z(  
    8. 光栅衍射效率 'o0o.&/=  
    6|3 X*Orn  
    '|5o(6u'  
     VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 `ZM$\Q=:  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 dhJ=+Fz"w  
     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) !?+0O]`}  
     J>;r(j  
    ~Jw84U{$  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd Pw7uxN`  
    %0}}Qt  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 wS&D-!8v  
    :(yu t  
     [cznhIvyO  
    \b!E"I_^  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 l.Ev]G/5  
    {+d)M  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 }fo_"bs@  
    /4;A.r`;  
     .;ofRx<  
    98?O[=  
     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)。 v.>K )%`#  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 wxPl[)E  
    \)>#`X  
    应用示例详细内容 YN<vOv  
     W$;qhB  
    仿真&结果 ^P]5@dv  
     A<TYt M  
    1. 结果：利用光线追迹分析 rbIYLVA+V  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Eaxsg  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 _29wQn@]  
    p$jAq~C  
     2*#i/SE_  
    U@n5:d=  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd K `<HZK  
     :Mh\;e  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 Jmg9|g!f  
     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)。 LayK&RwL  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， aot2F60J,  
    ]vs}-go  
     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。 'wMvO{}$  
    Zby3.=.e  
     T{`VUS/  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms IEP|j;~*  
     oqh J2  
    3. 衍射效率的评估 5jwv!L<n  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 :g|NE\z`)/  
    6\I1J= C  
     &=n/h5e0t&  
    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。 `^'fS@VA  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 3T,[  
     !7)#aXt&  
    4. 结果：衍射级次的重叠 ST?Rl@4  
     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。 WvfM.D!  
     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)。 PeqW+Q.  
     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。 >G%oWRk  
     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) F.1u9)   
     光栅方程： S ~fz  
     fc<y(uX  
    Kz/,V6H:  
    CxJ3u  
    lA1  
    5. 结果：光谱分辨率 d6JW"  
    |>'N^   
     ,c?( |tF  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run aBG^Xhx  
     w%X@os}E  
    6. 结果：分辨钠的双波段 tK/,U =+  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 8-k`"QI=  
       JN`$Fq+  
    #ley3rJW]  
     A?}[rM Z  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 C#yRop_d]o  
    {7]maOg>7J  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run yFb"2  
    GI,TE  
    7. 总结 [+R_3'aK  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 qhcx\eD:?  
    1. 仿真 G/(,,T}eG  
    以光线追迹对单色仪核校。 iDl#foXa`  
    2. 研究 b)e;Q5Z(.  
    应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 t^zE^:06  
    3. 应用 gt(p%~  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 L*,h=#x(  
    可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 =7H\llL4BC  
    扩展阅读 :3D6OBkB  
    1. 扩展阅读 V]+y*b.60  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 8IxIW0  
    0!ZaR 6  
     开始视频 %Y=r5'6l  
    - 光路图介绍 [r3sk24  
    - 参数运行介绍 9*K-d'm  
    - 参数优化介绍 ^-- R#$X  
     其他测量系统示例： r6 3l(  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) TlkhI  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) rEC  
     
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