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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) B$ Z%_j&  
    sRMz[n 5k  
    应用示例简述 1I=>0 c  
     gXNlnh%?S  
    1.系统说明 W<QMUu  
     x %hV5KW  
    光源 ;ewqGDe'3  
    — 平面波(单色)用作参考光源 DV8b<)  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) nQtp4  
     组件 tFi'RRZ  
    — 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 >-%}'iz+  
     探测器 !LunoC>B  
    — 功率 3tt3:`g  
    — 视觉评估 <-]qU}-  
     建模/设计 Az`c? W%  
    — 光线追迹：初始系统概览 ]T?Py)  
    — 几何场追迹+(GFT+)：  y[C++Q  
     窄带单色仪系统的仿真 mSg{0_:  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 XK";-7TZt  
     [f1'Qb  
    2.系统说明 I*SrK Zb  
    wm'a)B?  
     _K4E6c_  
    yMd<<:Ap  
    3.系统参数 :j)v=qul  
    RCL}bE  
     :pp@x*uNP  
    F=B[%4q`%  
    M zRliH8e  
    4.建模/设计结果 JZo18^aD"'  
     TI<?h(*R_  
    S{0iPdUC  
     +D@+j  
    总结 FJ/c(K  
     a(eKb2CX  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 .:b&$~<  
    1. 仿真 j@Ta\a-,x  
    以光线追迹对单色仪核校。 <73dXTZ0  
    2. 研究 Nueb xd  
    应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 }MiEbLduN  
    3. 应用 38 -vt,|  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 5Y3L  
    可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 YAc~,N   
     ,(@JNtx  
    应用示例详细内容 +wHrS}I#g  
    系统参数 WXj iKW(  
     e!B>M{  
    1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 8E+]yB"  
    Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 nj (\+l5  
    ,u<oAI`  
     ;usR=i36b  
    @~+W  
    2. 系统参数 *M]@}'N  
     SJJ[y"GvD  
    元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 :,@\q0j"=  
    c{,VU.5/  
     Po1/_# mu  
    !P"@oJ/Yy_  
    3. 说明：平面波(参考) e|e"lP  
    =>LQW;Sjz  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 %@~;PS3kd  
    _X6@.sM/2  
     !!\x]$v  
    SqosJ}K  
    4. 说明：双线钠灯光源 ZYexW=@  
    KB$S B25m  
    Tp[-,3L  
     为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 ?s-Z3{k  
     双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 `:Bm@eN  
     由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 2gM/".|{  
    )s~szmJoVD  
     ,s~d39{  
    LZI[5tA"  
    5. 说明：抛物反射镜 ]F#}8$  
    >3qfo2K 0  
    9{cpxJ  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 )7jJ3G*  
     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。 6>Z)w}x^  
    4/?@ %  
    ;xQNa}"V  
    U^&,xz$Cg  
     (~ `?_  
    <C<z#M'`  
    6. 说明：闪耀光栅 E rrs6  
    t[4V1:  
    Ef]<0Tm]:  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 /_D_W,#P  
     通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 'o]kOp@q  
    Iy#=Nq=  
    O\+b1+&b3Y  
    M/J?$j  
     F.cKg~E|e  
    s|[CvjL#0  
    7. Czerny-Turner 测量原理 *w OU=1+  
     Ju@8_ ?8=  
    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。 gjL+8Rk  
    )_a;xB` S(  
     B(1WI_}~  
    ;W?mQUo:P8  
    %}}?Y`/W )  
    8. 光栅衍射效率 _zK ~9/5  
    PSHzB! H=n  
    Pq(7lua7  
     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。 r]=Z :  
     因此，每一个波长的效率可视为独立的。 `V2doV)  
     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) !!+LFe4su  
     N#p%^GH  
    X6Q\NJ"B  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd rcAPp  
    8.zYa(< 2  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ,v#O{ma  
    0t(2^*I?>  
     D%*Ryg  
    u\q(v D.  
     由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 Y&j'2!g  
    VVw5)O1'  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 vyvb-oz;u  
    +n>p"+c  
     L_Xbca=  
    v|R#[vtFd  
     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)。 |)y-EBZe\"  
     不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 &Lbh?C  
    ^6QzaC3  
    应用示例详细内容 `O]$FpO  
     RqKkB8g  
    仿真&结果 yioX^`Fc(~  
     j;J`P H  
    1. 结果：利用光线追迹分析 %uz6iQaq]X  
     首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 pnTz.)'46  
     对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 rpUTn!*u/  
    zSagsH |W  
     &N*l?7(  
    !n<SpW;  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd B:VGa<lx5  
     cI'su?  
    2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ? =I']$MH  
     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)。 Gc_KS'K@$  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， >eWORf>7  
    Z^c\M\`7  
     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。 wUfm)Q#  
    q)3QmA~  
     }yaM.+8.  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms kkIG{Bw  
     %6la@i  
    3. 衍射效率的评估 X]_9g[V  
    为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 = \M6s  
    p2 !w86 F  
     _:>t$* _  
    比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。  K{9  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd u%5 ,U-  
     LRR)T: e}q  
    4. 结果：衍射级次的重叠 kZ=2# .  
     因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 iD<}r?Z  
     VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 |S]T,`7u  
     0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 'vV+Wu#[  
     通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) QT=i>X  
     光栅方程： MeYu  
     n72kJ3u.  
    t$b5,"G1  
    N|%X/UjZ2.  
    fg/hUUl  
    5. 结果：光谱分辨率 p!EG:B4  
    ';m;K (g  
     NU"L1dK @  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run [ OS& eK 8  
     t]T't='  
    6. 结果：分辨钠的双波段  & [ ,*  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 rP#&WSLVj  
       >-y}t9[/  
    [<sN "  
     Gr'|nR8  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 ]MC5 uKn  
    So= BcX-  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run fOdX2{7m  
    $RYOj{1  
    7. 总结 gYloY=.Z$'  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ] G^9PZ-  
    1. 仿真 hxt;sQAo{  
    以光线追迹对单色仪核校。 8tO.o\)h  
    2. 研究 !$#5E1:\  
    应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 =}0$|@pl  
    3. 应用 39d$B'"<1  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 v3(0Mu0J  
    可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 :\C/mT3xL)  
    扩展阅读 ^V7)V)Z;0  
    1. 扩展阅读 03_M+lv  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 YxGqQO36  
    wxN&k$`a  
     开始视频 {Es1bO  
    - 光路图介绍 1kD1$5  
    - 参数运行介绍 T-]UAN"O  
    - 参数优化介绍 ge1U1o  
     其他测量系统示例： 6R*eJICN  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) P.jy7:dB,  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Wz#ZkNO  
     
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