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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) Y Ztd IG  
    GWWaH+F[h  
    应用示例简述 D$NpyF.87  
    *_}0vd  
    1.系统说明 #<u;.'R  
    C 'Y2kb  
    光源 !<~cjgdx  
    — 平面波(单色)用作参考光源 /J&DYxl":  
    — 钠灯(具有钠的双重特性) ]0|A\bE\S  
     组件 ),xD5~_=q  
    — 光阑(狭缝),抛物面反射镜,闪耀光栅 '^$+G0jv  
     探测器 E8p,l>6(f  
    — 功率 V s=o@  
    — 视觉评估 yg~@} _C2_  
     建模/设计 ###>0(n  
    光线追迹:初始系统概览 vEGI  
    — 几何场追迹+(GFT+): }owl7G3  
     窄带单色仪系统的仿真 MQ0r ln?  
     为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 CHD.b%_|  
    _G25$%/LU  
    2.系统说明 39F e#u  
    P$*Ngt  
    u-mD"  
     vP? T  
    3.系统参数 ]H\tz@ &  
    iJmzVR+  
    5wl;fL~e  
    B##X94aTT  
    #V#!@@c;?  
    4.建模/设计结果 've[Mx  
    #reW)P>  
    ?N!kYTR%}  
    LGX+_ "  
    总结 OIjSH~a.  
    zZ<*  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 (hQi {  
    1. 仿真 4udj"-V  
    以光线追迹对单色仪核校。 rzLW @k  
    2. 研究 j|!t3}((  
    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。 mo(>SnS<  
    3. 应用 # h4FLF_w  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 P~iZae  
    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。 n&?)gKL0g  
    ZrZDyXL  
    应用示例详细内容 eR6vO5to  
    系统参数 \4C[<Gbx$(  
    U/|JAg #  
    1. 仿真任务:Czerny-Turner干涉仪 EUQtl_h/H  
    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。 o; U!{G(X  
    ;^E_BJm  
    & 0WQF  
    $60`Hh 4/  
    2. 系统参数 VfP\)Rl  
    JEMc_ngR!  
    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。 uN>5Eh&=Pf  
    vZ.<OD4  
    e t@:-}  
    a }*i [  
    3. 说明:平面波(参考) a'dlA da  
    #Nco|v  
     采用单色平面光源用于计算和测试。 N@}h  
    57gt"f  
    Qx8(w"k*  
    dt+r P%  
    4. 说明:双线钠灯光源 nb<oo:^  
    ;+6><O!G  
    Z[ (d7  
     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。 eNVuw:Q+  
     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)。 !U1 vW}H  
     由于低气压灯的扩展发射区域,钠灯可视为平面波。 P R3Arfle  
    AovBKB $  
    /sT?p=[.  
    voN~f>  
    5. 说明:抛物反射镜 gkA_<,38  
    "*F`,I3  
    -GHd]7n  
     利用抛物面反射镜以避免球差。 ih^FH>@  
     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。 ,$> l[G;Bm  
    Vd  d  
    W ulyM cJ  
    3,6f}:CG  
    =|ODa/2 p  
    .SER,],P  
    6. 说明:闪耀光栅 rVl 8?u y  
    *vuI'EbM  
    s8>y&b.  
     采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 ; teM^zyI  
     通过使用闪耀光栅,可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 GJr mK  
    -`* 'p i  
    T]-MrnO  
    9 i/ (  
    <<A#4!f  
    U$& '>%#  
    7. Czerny-Turner 测量原理 e(|Z<6  
    =&$z Nc4h  
    通过光栅倾斜角的变化,入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 4_ U"M@  
    :W1?t*z:[  
    7H< IO`  
    .O5V;&,  
    -9,~b9$  
    8. 光栅衍射效率 s_VcC_A  
    AguE)I&m  
    vJ^~J2#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。 }P.Z}n;Uj  
     因此,每一个波长的效率可视为独立的。 A`Y^qXFb`  
     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) PDuBf&/e  
    D_czUM  
    SM4`Hys;p  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd ;..z)OP_  
    _ s3d$C?B  
    9. Czerny-Turner系统的光路图设置 &|#[.ti1  
    2*z~ 'i  
    Xi[]8o  
    {>msE }L  
     由于VirtualLab的相对位置系统,只设置了沿Z轴方向的距离。 !uW*~u  
    _r{H)}9  
    10. Czerny-Turner 系统的3D视图 \+O.vRc"M  
    <;PKec  
    =zK4jiM1  
    [B)!  
     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)。 |;wc8;  
     不仅如此,距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 k !0O[U  
    'A7!@hVy  
    应用示例详细内容 ^?+[yvq  
    ?8"* B^*Sh  
    仿真&结果 Jp]?tlT  
    `M6"=)twu  
    1. 结果:利用光线追迹分析 P7XZ|Td4*  
     首先,利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 bAZoi0LR  
     对于该分析,采用内嵌的光线追迹系统分析器。 W?.469yy  
    &3Zb?  
    -?)^ hbr  
    {jB> ]7  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd nWIZ0Nde'  
    /h+ W L  
    2. 结果:通过虚拟屏的扫描 W{"sB:E  
     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)。 \~E?;q!  
     采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度, $e7%>*?m  
    xyk%\&"7  
     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。 7b>_vtrt  
    xj>P5\mW#  
    2MRd  
    animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms b},2A'X  
    9efey? z  
    3. 衍射效率的评估 rxgSQ+G_  
    为选择合适的仿真引擎,必须考虑孔径衍射效应的影响。 L?d?O  
    :kR>wX  
    iv~R4;;)  
    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。 j*?8w(!  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd T:@6(_Z  
    nD BWm`kN  
    4. 结果:衍射级次的重叠 //2O#Fg{/  
     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。 lfHN_fE>Mq  
     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)。 \DQu!l@1U  
     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。 {fACfSW6  
     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) . f ja;aG  
     光栅方程: Z&Ob,Ru  
    A r]*?:4y[  
    Lxp}o7>K  
    MrHJ)x"hy  
    :6nD"5(  
    5. 结果:光谱分辨率 gvuv>A}vJ  
    LVB wWlJ  
    q8d](MaX  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run kJ5z['4?  
    .8|wc  
    6. 结果:分辨钠的双波段 p6<JpW5@_  
     应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 $WIVCp  
       ?0/$RpFEM#  
    YQN:&Cls  
    hAf/&yA@  
    设置的光谱仪可以分辨双波长。 F}u'A,Hc  
    Q&]|W Xv  
    file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 9Y.(xp &vw  
    !y b06Z\f  
    7. 总结 #]jl{K\f#X  
    模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 "Wg,]$IvU  
    1. 仿真 /(JG\Ut  
    以光线追迹对单色仪核校。 ^\ x'4!W  
    2. 研究 `#ruZM066  
    应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 GfELL `yz  
    3. 应用 wPM>-F  
    应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ]%A> swCpn  
    可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 Q^f{H.  
    扩展阅读 dzOco)y  
    1. 扩展阅读 p$ \>3\  
    以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ~6i'V?>  
    }"TQ\v$  
     开始视频 i4|R0>b  
    - 光路图介绍 vWoppt  
    - 参数运行介绍 $@'BB=i  
    - 参数优化介绍 oM!&S'M/  
     其他测量系统示例: L=#NUNiXr  
    - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 5FR#CQ  
    - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) OWewV@VXR  
     
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