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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) &.;tdT7  
    9psD"=/"  
    应用示例简述 5&\Q0SX(~  
    o"J}@nF  
    1.系统说明 Zm^4p{I%o*  
    2VA\{M  
    光源 CUaI66  
    — 平面波(单色)用作参考光源 AMGb6enl  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) 8$BZbj%?hx  
     组件 b<~\IPY  
    — 光阑(狭缝),抛物面反射镜,闪耀光栅 ;*[nZV>  
     探测器 EQET:a:g  
    — 功率 ECWn/4Aws  
    — 视觉评估 |Qo;=~7  
     建模/设计 D4?5 %s  
    光线追迹:初始系统概览 eR4%4gW)  
    — 几何场追迹+(GFT+): qe8dpI;  
     窄带单色仪系统的仿真 4N|^Joi  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 al.~[T-O+  
    g@BQ!}_#5  
    2.系统说明 mx y>  
    ?kqo~twJ  
    llXyM */  
    KWq7M8mq  
    3.系统参数 +1zCb=;!{  
    NguJ[  
    {+_ pyL  
    *4"s,1?@BG  
    E5(\/;[*`  
    4.建模/设计结果 fgVeB;k|  
    q-P$ \":  
    fOs"\Y4  
    B#9rqC  
    总结 g!;k$`@{E'  
    UE^_SZ  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 P$?3\`U;  
    1. 仿真 ]:m>pI*z.  
    以光线追迹对单色仪核校。 MQ>.^]B]o  
    2. 研究 =X6WK7^0  
    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。 /^v?Q9=Y  
    3. 应用 ]@)T]  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 -h+=^,  
    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。 P[6@1  
    69AgPAv<k  
    应用示例详细内容 >tTNvb5  
    系统参数 p_T>"v  
    jkw:h0hX  
    1. 仿真任务:Czerny-Turner干涉仪 <Hw)},_*  
    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。 Sp8Xka~5*#  
    72@lDY4cE  
    \-3\lZ3qj  
    ns`|G;1vv  
    2. 系统参数 >Hb>wlYR  
    JQ|qg\[  
    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。 *c'nPa$+|S  
    S0?4}7`A  
    CMI'y(GN  
    gx+bKGB`  
    3. 说明:平面波(参考) 0IU>KGJ-0s  
    ^wesuW@=  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 Bc%A aZ0x  
    hm#S4/=#  
    242dT/j  
    u;1/.`NPB  
    4. 说明:双线钠灯光源 $50rj  
    +oKp>-  
    c32IO&W4  
     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 |SN3)  
     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)。 c`:hEQs  
     由于低气压灯的扩展发射区域,钠灯可视为平面波。 x:'M\c7  
    cBICG",TA  
    (eX9O4  
    :|hFpLt  
    5. 说明:抛物反射镜 Wn;B~  
    aq-`Bar  
    Q\(VQ1c  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 TMt,\gTd  
     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。 hw[jVx  
    En&bwLu:s  
    Lg[v-b=?I  
    $*)??uU  
    HI}$Z =C  
    (qn ;MN6<  
    6. 说明:闪耀光栅 >dH5n$Gb  
    @8zp(1.  
    8o' a  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 eF8!}|*N  
     通过使用闪耀光栅,可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 p #vZYwe=L  
    y/' ^r?  
    z4l O  
    s3m]rC  
    u rGk_.f  
    M1._{Jw5  
    7. Czerny-Turner 测量原理 p/V  
    X1*6qd+E  
    通过光栅倾斜角的变化,入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 ; n2|pC^  
    %qA +z Pf  
    y^; =+Z  
    4}{S8fGk%  
    UA4Q9<>~  
    8. 光栅衍射效率 @_0 g "Ul  
    oOk.Fq  
    4-q7o]%5<  
     VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 a!"81*&4#  
     因此,每一个波长的效率可视为独立的。 f~Dl;f~H_;  
     3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度:(可被测量系统的计算视为如此) +Ux)m4}j  
    4!lbwqo  
    2G"mm (   
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd sr\lz}JW  
    ok5 {c  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 i |>K  
    Auhw(b>}TW  
    bo&!oY#  
    AqVTHyCu  
     由于VirtualLab的相对位置系统,只设置了沿Z轴方向的距离。 gf+Kr02~  
    p7(xk6W  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 GCrh4rxgg  
    dQ^>,(  
    z Q NL){  
    );$Uf!v4  
     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)。 \s;]Tg  
     不仅如此,距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 zQ xZR}'  
    IoNZ'g?d  
    应用示例详细内容 ro37H2^Ty  
    +3vK=d_Va  
    仿真&结果 9A\J*OU  
    uc%75TJ@  
    1. 结果:利用光线追迹分析 +8[h&  
     首先,利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 N`y!Km  
     对于该分析,采用内嵌的光线追迹系统分析器。 [w~teX0!  
    z>k6T4(  
    IGql^,b  
    =,-80WNsX  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd iUA2/ A  
    jL 8&  
    2. 结果:通过虚拟屏的扫描 BmUEo$w  
     通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 JU<<,0  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度, `(=)8>|e  
    ?`\<t$M  
     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。 -N5r[*>  
    OdRXNk:k-j  
    wias ]u|  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms  2b1LC!'U  
    O:r<es1  
    3. 衍射效率的评估 }?*:uf  
    为选择合适的仿真引擎,必须考虑孔径衍射效应的影响。 I=f1kr pR  
    peGXU/5.I  
    }K"=sE  
    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。 M0c"wi@S_  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd Z i7(lG  
    @Z@yI2#e  
    4. 结果:衍射级次的重叠 TKoO\\  
     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。 %~Nf,  
     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)。 Gpe h#Q4x  
     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。 plfz)x3  
     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/d!&Bk  
     光栅方程: 2)[81a  
    5?9}^s4  
    8Mws?]\/q  
    .h~)|" uzW  
    Wf: AMxDm  
    5. 结果:光谱分辨率 n{4&('NRFP  
    N@Slc 0  
    E6)FYz7x  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run [`ttNW(_  
    qf24l&}  
    6. 结果:分辨钠的双波段 webT  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 4 Iy\   
       Mqw&%dz'_  
    1RRvNZW  
    c$uV8_V  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 _Seiwk &  
    hC6$>tl  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run !EpP-bq'*  
    Q~-gtEv+&  
    7. 总结 xO?~@5  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 []LNNO],X  
    1. 仿真 b GwLfU  
    以光线追迹对单色仪核校。 &,)9cV /  
    2. 研究 9^ mrsj  
    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。 TC R(  
    3. 应用 Iupk+x>  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 d>vGx  
    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。 4|++0=#D$  
    扩展阅读 R )?8A\<E  
    1. 扩展阅读 Pi+,y  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 G e~&Ble  
    Ns1u0$fg  
     开始视频 '{OZ[$E  
    - 光路图介绍 1YM04*H  
    - 参数运行介绍 ]MB ^0:F-  
    - 参数优化介绍 EzG7RjW  
     其他测量系统示例: .}CP Z3y  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 0Y!Bb2 m  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) MR+ndB<  
     
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