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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) ||}k99y +  
    cE|Z=}4I7  
    应用示例简述 aJ4y%Gy?  
    D~(f7~c%  
    1.系统说明 J&B>"s,  
    0LjF$3GpZ  
    光源 rryC^Vma  
    — 平面波(单色)用作参考光源 T[?toqkD>z  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) VV$$t;R/  
     组件 "-WEUz  
    — 光阑(狭缝),抛物面反射镜,闪耀光栅 hHu?%f*  
     探测器 !"G|y4O  
    — 功率 kn^? .^dVX  
    — 视觉评估 !U 6 x_  
     建模/设计 Y`U[Y Hx  
    光线追迹:初始系统概览 >" z$p@7  
    — 几何场追迹+(GFT+): (>LJv |wn  
     窄带单色仪系统的仿真 ~ ~"qT  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 vi4lmkyh^  
    )zKZ<;#y  
    2.系统说明 UhI T!x  
    8B*XXFy\  
    bW/^2B  
    #77p>zhY  
    3.系统参数 :/.SrkN(A7  
    qgk-[zW#  
    k;fy8  
    )R- e^Cb  
    b: c$EPK  
    4.建模/设计结果 O1 KT  
    %xJ6t 5.-  
    g]ct6-m  
    ;7HL/-  
    总结 W`d\A3v  
    4D4Y.g_x  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 i'\7P-a  
    1. 仿真 .*x |TPv{  
    以光线追迹对单色仪核校。 pSPVY2qKX  
    2. 研究 N!TC}#}l  
    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。 Mq#sSBE<K  
    3. 应用 b.4H4LV  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ;;Y>7Kn!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。 V+Tu{fFF7E  
    1Fs:&*=  
    应用示例详细内容 w]& o]VP  
    系统参数 S{l >|N2q  
    ^T.icSxP  
    1. 仿真任务:Czerny-Turner干涉仪 V t[Kr  
    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。 !e0OGf  
    /&eF,4  
    `nvm>u~[Hq  
    aOOkC&%  
    2. 系统参数 m0 a<~  
    9P)28\4  
    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。 KJLC2,  
    rDEd MT  
    [3~mil3rO  
    ;LhNz()b  
    3. 说明:平面波(参考) +J+[fbqX  
    o=}vK[0u  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 /+p]VHP\  
    ]rY3bG'&  
    ^gu;  
    SR<*yO  
    4. 说明:双线钠灯光源 tnn,lWu|  
    g3h:oQCS  
    ?04$1n:  
     为了增强光谱仪的光谱分辨率,对钠灯的双波长特性进行研究。 8#_"WzDw  
     双波长通过旋转轨道的相互作用分离,表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 yaw33/iN  
     由于低气压灯的扩展发射区域,钠灯可视为平面波。 x392uS$#  
    7XDze(O5  
    Y;B#_}yF  
    fN-y8  
    5. 说明:抛物反射镜 q]}1/JZS  
    Qt VZ)777  
    W4ygJL7 6  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 H"n@=DMLm  
     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。 ,<cF<9h  
    xtN=?WjVe0  
    q@6Je(H  
    4hLv"R.  
    D,<#pNO_  
    )`V__^  
    6. 说明:闪耀光栅 i4p2]Nr t  
    ->0OqVQA  
    )tB1jcI;  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 km[ PbC  
     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 Do\YPo_Mr  
    Cjn)`Q8  
    2TZ+R7B?  
    !arTR.b\  
    i(pevu  
    \~{b;$N}  
    7. Czerny-Turner 测量原理 S^/:O.X)c,  
    &qP@WFl  
    通过光栅倾斜角的变化,入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 zr1,A#BV  
    \@eC^D2  
    ; ^cc-bLvF  
    P:3%#d~q  
    50Kv4a"  
    8. 光栅衍射效率 uJX(s6["=  
    320g!r  
    UB7H`)C}  
     VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 Pp9nilb_(  
     因此,每一个波长的效率可视为独立的。 Pqc +pE  
     3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度:(可被测量系统的计算视为如此) 4[$D3,A  
    }F;Nh7?  
     =>Md>VM  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd rdY/QvP0=  
    % w0Vf$  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 [L+VvO%cT  
    G'\x9%  
    Q x]zz4jD  
    nRL2Z5iO-  
     由于VirtualLab的相对位置系统,只设置了沿Z轴方向的距离。 kl90w  
    h+!   
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ktMUTL(B  
    HNj6Iw  
    oD=6D9c?  
    V.8pxD5 s  
     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)。 =C[2"Y4JK0  
     不仅如此,距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 C*f3PB=H_  
    KW[Jft  
    应用示例详细内容 _H (:$=$Q  
    ?V>\9?zb  
    仿真&结果 B,]:<1l~  
    lW8!_h"G`n  
    1. 结果:利用光线追迹分析 e[ 8AdE  
     首先,利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 #P''+$5,  
     对于该分析,采用内嵌的光线追迹系统分析器。 \XUG-\$p  
    (fYrb# ]!y  
    Q:+cLl&;hB  
    IRxFcLk  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd J|Xu]fg0  
    " ~X;u8m  
    2. 结果:通过虚拟屏的扫描 "++q. y  
     通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 =`oQcIkz  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度, T P5?%SlJ  
    PilV5Gg  
     通过该功能给定波长,可以自动设置合适的倾斜角。因此,如为了仿真全谱段,参数运行必须指定波长。 9u->.O: p  
    =?, dX  
    W,[b:[~v  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms -}W `  
    s=uWBh3J  
    3. 衍射效率的评估 6a=Y_fma  
    为选择合适的仿真引擎,必须考虑孔径衍射效应的影响。 yM8<)6=  
    8O)!{gB  
    *Y@)t* -a  
    比较经典场追迹和几何场追迹+可知,由于两者的差别较小,可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 )/:&i<Q:  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd =:!$'q:  
    V=C@ocy Z  
    4. 结果:衍射级次的重叠 ^uy2qO4Yw  
     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。 s|1BqoE  
     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)。 t[.wx.y&0  
     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。 y+C.2 ca  
     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) p=U/l#xO  
     光栅方程: A|D]e)/6+B  
    N9M''H *VS  
    iSZiJ4AUq  
    V`n;W6Q17  
    rX*ATN  
    5. 结果:光谱分辨率 J01Y%W  
    l{{wrU`  
    *$KUnd-T  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run YJ&K0 %R  
    /cy'% .!  
    6. 结果:分辨钠的双波段 es` A<  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 B~0L'8WzW  
       iE|qU_2Y  
    UI*^$7z1 +  
    Au6*hv3:  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 KXgC]IO~  
    C(7Y5\"P  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run xF+a.gAIb  
    F=29"1 ._  
    7. 总结 xz+Y1fYT  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 CTbz?Kn  
    1. 仿真 e$E~@{[1)  
    以光线追迹对单色仪核校。 T/_JXK>W  
    2. 研究 *hHy> (*  
    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。 Kzs]+Cl  
    3. 应用 fC2   
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 aN.t) DG}J  
    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。 vFK&63  
    扩展阅读 Z(S=2r.  
    1. 扩展阅读 PC_#kz  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Y}bJN%M  
    ;JcOm&d/hk  
     开始视频 z|Hc=AU8y  
    - 光路图介绍 0`KB|=>  
    - 参数运行介绍 cm8-L[>E  
    - 参数优化介绍 &AMW?vO  
     其他测量系统示例: ]y'/7U+  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ?/_8zpW  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) LiyEF&_u  
     
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