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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: 2021-11-16
    测量系统(MSY.0003 v1.1) a6/$}lCq  
    xDtJ& 6uFw  
    应用示例简述 k2@|fe  
    :5 zXW;s  
    1.系统说明 M{   
    J Gpy$T{t  
    光源 ;q ;}2  
    — 平面波(单色)用作参考光源 Nfdh0v  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) dJYW8pcKT  
     组件 exfJm'R?n  
    — 光阑(狭缝),抛物面反射镜,闪耀光栅 ]y52%RAKI  
     探测器 2 yY.rs  
    — 功率 G*].g['  
    — 视觉评估 Gd:fh5u':  
     建模/设计 >ow5aOlQ&  
    光线追迹:初始系统概览 7hLdCSX  
    — 几何场追迹+(GFT+): \'}? j-8  
     窄带单色仪系统的仿真 "A0J~YvYWJ  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 `VzjXJw  
    FfET 45"l  
    2.系统说明 `~S ; UG   
    /#]4lFk:h  
    X7~AqG  
    __Tg1A  
    3.系统参数 d#OE) ,`  
     Q&d"uLsx  
    =4H"&Eu{  
    <T0+-]i  
    'nR'o /!  
    4.建模/设计结果 k#Bq8d  
    2TxHY|4  
    <dAD-2O+  
    nYF;.k  
    总结 O*%@(w6  
    ,f(:i^iz!  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ^vQ,t*Uj=  
    1. 仿真 ^]A,Q%1q^  
    以光线追迹对单色仪核校。 (='e9H!3D  
    2. 研究 m0(]%Kdw  
    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。 q4wS<, 3  
    3. 应用 6_#:LFke  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 pMy];9SvW  
    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。 [fjP.kw;J  
    cIJqF.k  
    应用示例详细内容 o7A+O%dX  
    系统参数 '9R.$,N  
    k9|8@3(h  
    1. 仿真任务:Czerny-Turner干涉仪 |[lmW%  
    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。 ;I5u"MDHGI  
    (aQNe{D#  
    X\yy\`o  
    Dno'-{-  
    2. 系统参数 #@cOyxUt  
    ~t` uq  
    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。 4U1!SR]s  
    + yF._Ie=  
    6|O2i j-J  
    Oz: J8l%  
    3. 说明:平面波(参考) $0OWPC1  
    [|)Eyd[G  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 0M=U >g)  
    n=+K$R  
    2Kg+SLU[~  
    t;?TXAA  
    4. 说明:双线钠灯光源 />EH]-|  
    "iC*Eoz#.  
    q|N/vkqPz  
     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。 L,<5l?u  
     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)。 \>%.ktG  
     由于低气压灯的扩展发射区域,钠灯可视为平面波。 OK6c"*<z  
    av.L%l&d  
    s:fy *6=[Z  
    P0 va=H  
    5. 说明:抛物反射镜 rphfW:  
    u0M? l  
    T/$6ov+K  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 AusCU~:>  
     出于此目的,在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 4.^1D';(  
    JQp::,g  
    a+--2+~=  
    <A_LZi  
    mqx#N%  
    j1yW{  
    6. 说明:闪耀光栅 {);S6F$[3  
    YjT7_|`(]  
    Pl>S1  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 xD#r5  
     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 *s"dCc  
    EzXGb  
    7E-1 #4  
    _,U`Iq+X  
    .+'`A"$8  
    B}(+\Q$I  
    7. Czerny-Turner 测量原理 C_RxJWka  
    ^F*G  
    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。 )Hp{8c  
    "i}?jf {a  
    #})OnM^],  
    SR4cR)Iz  
    $eI=5   
    8. 光栅衍射效率  bK7j"  
    )sh+cfTCb  
    ~; emUU  
     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。 %B ,>6 `[  
     因此,每一个波长的效率可视为独立的。 3%g\)Cs  
     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) ["N)=d|LS  
    L*rND15  
    +;H-0Q5  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd *G<K@k  
    3Pj 6(cf  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 z^KMYvH g  
    y" (-O%Pe  
    @-7h}2P Q  
    -UHa;W H  
     由于VirtualLab的相对位置系统,只设置了沿Z轴方向的距离。 S#kA$yO  
    Nan@SuKY  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 .??[qBOTE  
    ,:Q+>h  
    VSW:h  
    fO;#;p.  
     增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 /!V) 2j,  
     不仅如此,距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 H\zV/1~Y  
     Stzv  
    应用示例详细内容 epcBr_}  
    )&Bf%1>  
    仿真&结果 .ykCmznf*  
    y@5{.jsr_  
    1. 结果:利用光线追迹分析 :{(` ;fJ  
     首先,利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 O0"u-UX{  
     对于该分析,采用内嵌的光线追迹系统分析器。 ypCarvQT  
    0 e}N{,&Y  
    Fp_?1 y  
    3X0"</G6  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd <6 LpsM}  
    z NF.nS}:  
    2. 结果:通过虚拟屏的扫描 MDHTZ9 4\Q  
     通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 )2Ru} -H  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度, .4jU G=  
    5#DtaVz  
     通过该功能给定波长,可以自动设置合适的倾斜角。因此,如为了仿真全谱段,参数运行必须指定波长。 XM9}ax  
    s/;iZiWK  
    jp~C''Sj  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms xnBU)#<]S  
    6AM-^S@  
    3. 衍射效率的评估  rq[+p  
    为选择合适的仿真引擎,必须考虑孔径衍射效应的影响。 b3>`%?A  
    d".Xp4}f  
    x&ngCB@O  
    比较经典场追迹和几何场追迹+可知,由于两者的差别较小,可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 r )EuH.z  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd E{Tvjh+  
    }mZ sK>  
    4. 结果:衍射级次的重叠 sPu@t&$  
     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。 Wfw6(L  
     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)。 gc ce]QS  
     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。 Sk ~( t  
     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) }m`+E+T4  
     光栅方程: Lrr1) h  
    %ut^ O  
    Gkc.HFn(  
    ,?'":T1[  
    1<Z~Gw4  
    5. 结果:光谱分辨率 TQor-Cymz  
    ]*M VVzF  
    #>]o'KQx  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run c]u^0X?&  
    STr&"9c  
    6. 结果:分辨钠的双波段 Za*QX|  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 )kBN]>&R  
       -Um|:[*I  
    eJ=K*t|  
    F!LVyY"w  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 [K*>W[n  
    $@ous4&  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run @TvoCDeI  
    QJsud{ada  
    7. 总结 U{)|z-n  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 _ ?\4k{ET  
    1. 仿真 (_9cL,v  
    以光线追迹对单色仪核校。 gz,x6mnQ  
    2. 研究 B9Ha6kj  
    应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 i uNBw]  
    3. 应用 /+11`B09  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 -F]0Py8(  
    可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 O%$XgEJ8p  
    扩展阅读 zv Dg1p  
    1. 扩展阅读 wva| TZ  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 :~% zX*   
    #S*@RKSE|7  
     开始视频 voD0 u  
    - 光路图介绍 4!I;U>b b  
    - 参数运行介绍 *Dz<Pi^  
    - 参数优化介绍 .5t|FJ]`$  
     其他测量系统示例: "1-|ahW  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) hDP&~Mk  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) aDae0$lc.S  
     
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