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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) Ah"'hFY  
    O'!r]0Q  
    应用示例简述 m>abK@5na  
    rKy-u  
    1.系统说明 aX[1H6&=7  
    J2oWssw"  
    光源 x#:BE  
    — 平面波(单色)用作参考光源 z*dQIC  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) * Y%<b86U  
     组件 4(Cd  
    — 光阑(狭缝),抛物面反射镜,闪耀光栅 r{_B:  
     探测器 [B"dH-r7  
    — 功率 ;Txv -lfS  
    — 视觉评估 )O2Nlk~l&  
     建模/设计 %EJ\|@N:  
    光线追迹:初始系统概览 *793H\  
    — 几何场追迹+(GFT+): {;Y 89&*R  
     窄带单色仪系统的仿真 zldfRo\wl  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 HvqF@/xh  
    jsNH`"  
    2.系统说明 `FzYvd"N  
    RVgPH<1X@e  
    &*G5J7%w  
    #K :-Bys5v  
    3.系统参数 WNn[L=f  
    XSm"I[.g  
    tT@w%Sz57N  
    E'e8&3!bx  
    <THZ2`tTK3  
    4.建模/设计结果 T}L^CU0  
    ?Y? gzD  
    z.2r@Psk  
    |+Hp+9J  
    总结 V-KL%  
    [K cki+  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 A9\]3 LY  
    1. 仿真 fB f 4]^  
    以光线追迹对单色仪核校。 F`Dg*O  
    2. 研究 KP[NuXA`  
    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。 [x2JFS#4  
    3. 应用 !US8aT  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 <*s"e)XeqF  
    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。 DS#c m3  
    NJ;"jQ-  
    应用示例详细内容 7|&e[@B  
    系统参数 Y7<zm}=(/  
    @~m=5C  
    1. 仿真任务:Czerny-Turner干涉仪 mu6039qy  
    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。 (C8 U   
    ]pW86L%  
    ?z2jk  
    U@Z>/ q  
    2. 系统参数 NFk}3w:  
    =N YgGEFq.  
    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。 8YuJ8KC  
    :ozV3`%$(  
    uije#cj#O  
    &+mV7o  
    3. 说明:平面波(参考) J|V K P7  
    c |>=S)|  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 di~]HUZh)  
    +c^_^Z$_4o  
    K(<$.  
    "j{i,&Y$_  
    4. 说明:双线钠灯光源 9n1ZVP.ag  
    ""co6qo#>  
    O0^?f/&k  
     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。 +7,8w  
     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)。 q[7CPE0n  
     由于低气压灯的扩展发射区域,钠灯可视为平面波。 y n SBVb!)  
    yL0f1nS  
    bS>R5*Zp  
    4&Byl85q  
    5. 说明:抛物反射镜 N_UQ  
    b"I~_CL|  
    B[r<m J  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 ,V,f2W 4  
     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。 .*BA 1sjE  
    R{HV]o|qk  
    I%oRvg|q  
    o]Gguw5W{  
    xq}-m!nX  
    "!O1j r;  
    6. 说明:闪耀光栅 2d*_Qq1  
    ]*qU+&  
    / s,tY74'5  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 ~W<CE_/]k  
     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 _a](V6  
    Ly;I,)w  
    GcT;e5D  
    H$!+A  
    CEuWw:)  
    .}q]`<]ze  
    7. Czerny-Turner 测量原理 &)n_]R#)  
    7h%4]  
    通过光栅倾斜角的变化,入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 @Br {!#Wf  
    )0^ >#k  
    k;k}qq`d  
    ?]c+j1 i  
    ,MQVE  
    8. 光栅衍射效率 W^es;5  
    r`j Wp\z  
    Rf)ke("  
     VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 *^] ~RhjB  
     因此,每一个波长的效率可视为独立的。 5,1{Tv`  
     3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度:(可被测量系统的计算视为如此) _T5)n=|  
    "xe=N  
    4U=75!>  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 54{q.I@n  
    qi(*ty  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 mk!Dozb/  
    8Hi!kc;f6>  
    ZtK\HDdp  
    *FK`&(B+}  
     由于VirtualLab的相对位置系统,只设置了沿Z轴方向的距离。  %v+=;jw  
    Pao%pA.<  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 Iy';x  
    ?P/AC$:|I  
    .m;G$X|3U  
    TW7:q83{l  
     增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 d,0 }VaY=D  
     不仅如此,距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Zp&@h-%YoD  
    x({H{'9?  
    应用示例详细内容 WA6!+Gy  
    fuUm}N7  
    仿真&结果 gd7^3q[$h  
    @%hCAm  
    1. 结果:利用光线追迹分析 S QY"OBo<e  
     首先,利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 P:C2G(V1AR  
     对于该分析,采用内嵌的光线追迹系统分析器。 AVl~{k|  
    ,qQG;w,m  
    t\4[``t  
    `y^sITr  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd -r<#rITH"  
    hePPxKQ-  
    2. 结果:通过虚拟屏的扫描 Wht(O~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)。 6/Fzco#N  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度, X[](Kj^`<  
    WG u%7e]  
     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。 .fYZ*=P;c  
    C3'rtY.  
    t<j^q`;@v  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 9Q;c ,]  
    cXnKCzSxZq  
    3. 衍射效率的评估 #]]Su91BA  
    为选择合适的仿真引擎,必须考虑孔径衍射效应的影响。 '?QuJFki  
    h3* x[W  
    yX!HZu;j  
    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。 ,=QM#l]  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd e>}}:Ud  
    &?,6~qm[  
    4. 结果:衍射级次的重叠 FLZWZ;  
     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。 )$ Mmn  
     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)。 'heJ"k?  
     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。 ] )DX%$f  
     通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) Y&HK1>M_  
     光栅方程: d[D&J  
     m#vL*]c}  
    69K{+|  
    n5-)/R[z  
    +rXF{@ l  
    5. 结果:光谱分辨率 !7bw5H  
    pd[ncL  
    .|qK +Hnc  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run <A5]]{9 +  
    e({9]  
    6. 结果:分辨钠的双波段 H( jXI  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 /93l74.w  
       Z?P~z07  
    WLa!.v>  
    +!IQj0&'Y3  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 }A=y=+4 j  
    <*!i$(gn  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run v1JS~uDz  
    |'O[7uT  
    7. 总结 z4#(Ze@u~_  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Kv'n:z7Md  
    1. 仿真 IP`6bMd  
    以光线追迹对单色仪核校。 ;22l"-F  
    2. 研究 eN? Y7  
    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。 7uorQfR?  
    3. 应用 &3F}6W6A  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ^9OUzTF  
    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。 F~:O.$f]G  
    扩展阅读 >T2LEW  
    1. 扩展阅读 VV4Gjc  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 '>$EOg"  
    im} ?rY  
     开始视频 Zn=T#o  
    - 光路图介绍 SzwQOs*  
    - 参数运行介绍 n% 'tKU\q  
    - 参数优化介绍 \Ng\B.IQ  
     其他测量系统示例: Ho DVn/lr  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ?\KM5^eX  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 7(M(7}EKA  
     
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