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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) 5M8   
    a(JtGjTf&  
    应用示例简述 yYaYuf  
    e \kR/<L  
    1.系统说明 oe9S$C;$'  
    I2z7}*<u  
    光源 Vhm^<I-d  
    — 平面波(单色)用作参考光源 u91  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) |CS&H2!s  
     组件 RzB64  
    — 光阑(狭缝),抛物面反射镜,闪耀光栅 _ -ec(w~/  
     探测器 >X>]QMfh  
    — 功率 }ZwnG=7T?  
    — 视觉评估 tJGPkeA  
     建模/设计 %z @T /  
    光线追迹:初始系统概览 !P6y_Frpe  
    — 几何场追迹+(GFT+): 9 771D  
     窄带单色仪系统的仿真 el^<M,7!  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 kl&_O8E+K  
    Z%-uyT@a  
    2.系统说明 w6B`_Z'f  
    9I|Q`j?p`  
    \\"CgH-  
    D{t0OvQag  
    3.系统参数 2[Qzx%Vp  
    z8};(I>)  
    >R/^[([;]  
    B)-P# ,}  
    6& 9q6IIy  
    4.建模/设计结果 .B$3y#TOb  
    t6+>Zr  
    URTJA<r8D  
    \ItAc2,Fl  
    总结 { lZ<'p  
    h/l?,7KHI  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 %cMayCaI!@  
    1. 仿真 m )<N:|  
    以光线追迹对单色仪核校。 tkix@Q!;\  
    2. 研究 A<g5:\3  
    应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 JnH5v(/  
    3. 应用 'ka"0~:NS{  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Y9(BxDP_+Y  
    可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 D <Fl7QAb  
    ZOzyf/?.  
    应用示例详细内容 (b1rd  
    系统参数 j)O8&[y=  
    w?p8)Q6m  
    1. 仿真任务:Czerny-Turner干涉仪 3j$,x(ua9  
    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。 v\COl*  
    1]jUiX=T  
    z;i4F.p  
    '8Lc}-M4  
    2. 系统参数 M$LzV}k  
    q/YO5>s15  
    元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 nHF  
    gq?~*4H  
    e-o$bf%  
    'P)[=+O?t  
    3. 说明:平面波(参考) Fd0\T#k  
     *FoPs  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 P~*v}A  
    l' Z `%}R  
    E@;v|Xc  
    /K#J63 ,  
    4. 说明:双线钠灯光源 2$QuR~  
    >za=v  
    ~;Xkt G:  
     为了增强光谱仪的光谱分辨率,对钠灯的双波长特性进行研究。 /B9jmvj`  
     双波长通过旋转轨道的相互作用分离,表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 }=."X8zOI8  
     由于低气压灯的扩展发射区域,钠灯可视为平面波。 |teDe6 \m  
    ,k3aeM~`%w  
    Bc y$"F|r  
    ;]h:63 S  
    5. 说明:抛物反射镜 @-qC".CI  
    Y~bGgd]T  
    \ 8X8N CM  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 h!>NS ?X7  
     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&LoE~  
    F1o"H/:n  
    -Qco4>Z8  
    ]^\+B4  
    \OXKK<^$uK  
    ed)!Snz   
    6. 说明:闪耀光栅 pNzGpCk  
    U_,K_6vj  
    %4E7 Tu,1  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 tlFc+3  
     通过使用闪耀光栅,可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 /L"&'~  
    `Lu\zR%<  
    >taZw '  
    =1vVI Twl  
    Kq0hT4w  
    0Z{(,GU  
    7. Czerny-Turner 测量原理 }t #Hq  
    t| zLR  
    通过光栅倾斜角的变化,入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 KPA5 X]  
    YB}_zuZ4&  
    S.OGLLprp  
    way-Q7  
    rzqUI*4%  
    8. 光栅衍射效率 W}1h~rNy  
    /_554q  
    BPd]L=,/  
     VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 )FqE8oN-  
     因此,每一个波长的效率可视为独立的。 2'r8#,)  
     3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度:(可被测量系统的计算视为如此) T;< >""T  
    u$[T8UqF  
    4.dMNqU  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd [ @/[#p  
    ;"nEEe]?  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 =;$&:Zjy/%  
    M$gy J!Pb  
    F<w/@ .&m  
    `"CF/X^  
     由于VirtualLab的相对位置系统,只设置了沿Z轴方向的距离。 V*'9yk"  
    U%45qCU  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 y K&)H+v  
    d*,|?Ar*b  
    8YN+ \  
    +o/;bm*U<K  
     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)。 q#Qr@Jf  
     不仅如此,距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 }%R6Su]y  
    CsR~qQ 5  
    应用示例详细内容 =4MiV]  
     5>w>J  
    仿真&结果 1^Zx-p3J  
    1ck2Gxn  
    1. 结果:利用光线追迹分析 .+B)@?  
     首先,利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 }RUC#aW1  
     对于该分析,采用内嵌的光线追迹系统分析器。 qW<: `y  
    oa1a5+ A  
    Vq'&t<K#  
    n(f&uV_):  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 1=(i{D~  
    XLbrE|0A?  
    2. 结果:通过虚拟屏的扫描 #G{T(0<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)。 L6A6|+H%E  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度, [bT@Y:X@`  
    ohM'Fx"q  
     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。 {fN_itn  
    .(1$Q6yG  
    >v<}$v6D~  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms "iZ-AG!C  
    "msg./iC  
    3. 衍射效率的评估 j^!J: Bj  
    为选择合适的仿真引擎,必须考虑孔径衍射效应的影响。 vP~F+z @g  
    kh,M'XbTo  
    tc,7yo\".  
    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。 _mkI;<d]$T  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd *j*jA/  
    xZhD6'Zzz  
    4. 结果:衍射级次的重叠 'b^:"\t'Rh  
     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。 DU7Ki6  
     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)。 X7 Za 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。 "+ Qh,fTt  
     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) }> 1h+O  
     光栅方程: Dk"M8_-_  
    /w!' [  
    Z.mV fy%  
    1VZ>*Tl  
    \qTNWA #'  
    5. 结果:光谱分辨率 u('OHPqq  
    OVh/t# On  
    B]qh22Yib  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 7kwG_0QO  
    /pge7P  
    6. 结果:分辨钠的双波段 Y3zO7*-@  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 q-3KF  
       4 ?c1c  
    E8dp  
    N7jRdT2k%  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 s,29_z7  
    QJE- $ :  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run <V8i>LBlz  
    Z{CL!  
    7. 总结 6b8Klrar!  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 /g9{zR [  
    1. 仿真 y^Jv?`jw  
    以光线追迹对单色仪核校。 J-f0  
    2. 研究 @} Z/{Z[@  
    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。 QO>*3,(H,q  
    3. 应用 SWGa%6|  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 D vKM>P%|  
    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。 : [9'nR  
    扩展阅读 ppD ~xg]  
    1. 扩展阅读 g|HrhUT;  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 w +Z};C  
    2&d&$Jg  
     开始视频 c\'pA^m 6  
    - 光路图介绍 Iq=B]oE  
    - 参数运行介绍 &;skB.  
    - 参数优化介绍 iQIw]*h^  
     其他测量系统示例: Q(IS=  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 3# (5Kco  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) yfW^wyDd2o  
     
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