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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: 2021-11-16
    测量系统(MSY.0003 v1.1) `P@<3]  
    np|Sy;:  
    应用示例简述 +qN>.y!Y  
    &~cBNw|  
    1.系统说明 xWH.^o,"  
    @Z_x.Y6  
    光源 @W.S6;GA\  
    — 平面波(单色)用作参考光源 M5 LfRBO  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) c`)\Pb/O  
     组件 %_H<:uGO%  
    — 光阑(狭缝),抛物面反射镜,闪耀光栅 F@D`N0Pte  
     探测器 GhAlx/K  
    — 功率 ~f2z]JLr:  
    — 视觉评估 V5@:#BIs  
     建模/设计 $j%'{)gK  
    光线追迹:初始系统概览 RXMISt3+{y  
    — 几何场追迹+(GFT+): tH@Erh|%  
     窄带单色仪系统的仿真 ^cC,.Fdw  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 @-07F,'W,  
    nQZx= JK  
    2.系统说明 1/B>XkCJ  
    ~Y[r`]X`"m  
    @f>-^  
    AG nxYV"p  
    3.系统参数 JJ-( Sl  
    n t;m+by  
    5:[0z5Hww  
    3Y4?CM&0v  
    =`oCLsz=  
    4.建模/设计结果 dw>C@c#"  
    BGZ#wru  
    =osk+uzzG  
    C\3rJy(VJ  
    总结 Ys9[5@7  
    VOsR An/N  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Wx%H%FeK  
    1. 仿真 ah$b [\#C  
    以光线追迹对单色仪核校。 .&iawz  
    2. 研究 \##zR_%  
    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。 IZ-1c1   
    3. 应用 |)DGkOtd  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性  M mj;-u  
    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。 \[i1JG  
    .[KrlfI  
    应用示例详细内容 se2!N:|R!G  
    系统参数 tmYz R%i  
    ;W )Y OT  
    1. 仿真任务:Czerny-Turner干涉仪 <]t%8GB2V  
    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。 @Ns Qd_e  
    ~8Fk(E_  
    `:fZ)$sY  
    Lz Kj=5'Y  
    2. 系统参数 ./Zk`-OBT  
    LKB$,pR~1l  
    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。 CJx|?yK2  
    Xf]d. :  
    i v38p%Zm  
    qH>d  
    3. 说明:平面波(参考) ;%9|k U  
    3AtGy'NTp  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 "Qc7dRmSxm  
    ?pmHFlx  
    (_]~wi-,  
    R$<&ie6UQ  
    4. 说明:双线钠灯光源 9d659i C  
    Xza(k  
    ifQ*,+@fxR  
     为了增强光谱仪的光谱分辨率,对钠灯的双波长特性进行研究。 kd(8I_i@  
     双波长通过旋转轨道的相互作用分离,表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 ORw,)l  
     由于低气压灯的扩展发射区域,钠灯可视为平面波。 DU'`ewLL7  
    lIS-4QX1  
    H[$"+&q  
    !>&o01i  
    5. 说明:抛物反射镜 nPl?K:(  
    C`9+6T  
    ` p-cSxR_  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 9wwqcx)3(  
     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~g *@K>+  
    u'DRN,h+  
    sY Qk  
    4N3R|  
    lvz7#f L~  
    8qTys8  
    6. 说明:闪耀光栅 %s|Ely)  
    \'D0'\:vz  
    5L%'@`mX  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 n M*%o-  
     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 =s2*H8]  
    1~ 3_^3OT  
    Y"aJur=`  
    S`0(*A[W*  
    & l&:`nsJ  
    q,|j]+9q  
    7. Czerny-Turner 测量原理 9}<ile7^  
    +gtbcF@rx  
    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。 JIOR4'9  
    pJ"qu,w  
    ]72`};  
    Be2DN5)  
    Ckuh:bs  
    8. 光栅衍射效率 6j]0R*B7`Q  
    ucW-I;"  
    [!#L6&:a8  
     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。 m@v\(rT.  
     因此,每一个波长的效率可视为独立的。 ;))+>%SGCt  
     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) SsDmoEeB[  
    Vaw+.sG`AP  
    ,f'CD{E  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd @,7GaK\  
    G@X% +$I  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 H=vUYz  
    f+)L#>Gl?  
    L48_96  
    D8?Vn"  
     由于VirtualLab的相对位置系统,只设置了沿Z轴方向的距离。 !``,gExH  
     {Gk1vcq  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 T_5H&;a  
    YZ8>OwQz2  
    eJX9_6m-  
    uh  > ; 8  
     增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 yjJ5>cg  
     不仅如此,距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Vv=. -&'  
    sBg.u  
    应用示例详细内容 \?k'4rH  
    )}Kf=  
    仿真&结果 Ka V8[|Gn,  
    wE`]7mA  
    1. 结果:利用光线追迹分析 p]+Pkxz]'  
     首先,利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 H40p86@M  
     对于该分析,采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Fq<A  
    rw JIx|(  
    v$wIm,j  
    o|<!"AD7  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd MKi0jwJM  
    ^k">A:E2  
    2. 结果:通过虚拟屏的扫描 3bH'H*2  
     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)。 Y\8)OBZ  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度, n 0L^e  
    \X D6 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。 kxhWq:[c  
    _A9AEi'.  
    &n:.k}/P  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms >KhOz[Zg  
    Y.rsR 6  
    3. 衍射效率的评估 GGs}i1m  
    为选择合适的仿真引擎,必须考虑孔径衍射效应的影响。 p}~JgEE  
    h3 }OX{k  
    I,vJbvvl!  
    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。 Qpc__dA\  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd T:yE(OBf  
    ENs&RZ;  
    4. 结果:衍射级次的重叠 @lrztM  
     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。 )Y{L&A  
     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)。 V {ddr:]4  
     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。 X\qNG]  
     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) K1yzD6[eW  
     光栅方程: +VOK%8,p  
    -k e's  
    >_T-u<E  
    )1`0PJoHE  
    fJ!R6D  
    5. 结果:光谱分辨率 }Oq5tC@$G  
    r52gn(,  
    Pw"-S?`(  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ]jp6k<KF  
    I:1C8*/  
    6. 结果:分辨钠的双波段 T}v4*O.,  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 f(y:G^V  
       =MDys b&:  
    d|Lj~x|  
    {fT6O&br  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 ;+ hH  
    k=T\\]KxC  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run M&9+6e'-F  
    T!)(Dv8@F  
    7. 总结 MeZf*' J  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 VQOezQs\  
    1. 仿真 '3^'B0 3  
    以光线追迹对单色仪核校。 Ry6@VQ"NLb  
    2. 研究 T'Dv.h  
    应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 U0P~  
    3. 应用 2.%ITB  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 uiR8,H9*M  
    可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 CryBwm  
    扩展阅读 >7DhTM-A  
    1. 扩展阅读 }a(dyr`S  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ?)d~cJ  
    A;?|& `f  
     开始视频 ,/|T-Ka  
    - 光路图介绍 suDQ~\ n  
    - 参数运行介绍 di )L[<$DY  
    - 参数优化介绍 Em~>9f ?Q(  
     其他测量系统示例: SSMHoJGm  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) oE]QF.n#  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) oj+hQ+>  
     
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