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2020-11-19 09:26 |
Czerny-Turner单色仪&光谱仪的仿真
测量系统(MSY.0003 v1.1) T_, LK7D eF}Q8]da 应用示例简述 FWdSpaas Q (J<@e!@NE 1.系统说明 mw`%xID* #0L:h?L 光源 7esG$sVj( — 平面波(单色)用作参考光源 42Vy#t/HC — 钠灯(具有钠的双重特性) OV>T}Fq 组件 S,3e|-&$ — 光阑(狭缝),抛物面反射镜,闪耀光栅 _:M6~XHo 探测器 =YZp,{T — 功率 bR*T}w$< — 视觉评估 Z5-"a?{Y 建模/设计 rQ*'2Zf'< — 光线追迹:初始系统概览 v<tH 3I+ — 几何场追迹+(GFT+): ~?-U
J^# 窄带单色仪系统的仿真 `U!eh1*b 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 q&Q* gEFK @OFl^U0/ 2.系统说明 < W/-[ M YIfPE{,
m2{z Ps<)?q6( 3.系统参数 Y: KB"H .(CzsupY_q
ILF"m; C+r--"Z +2B{"Czm 4.建模/设计结果 '_r|L1 P!B\:B%4~]
dm.?-u;C *-_` xe 总结 V)Z*X88:Tv (rZq0* 模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ?*,N
?s(U 1. 仿真 ^bL.|vB 以光线追迹对单色仪核校。 9eGM6qW\_ 2. 研究 w:'$Uf8] 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。 x gaN0! 3. 应用 N##3k-0Ao 应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 8DLR 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。 ]ueq&| I g-VSQ 应用示例详细内容 Gk799SDL 系统参数 # dW$"u 8dIgw 1. 仿真任务:Czerny-Turner干涉仪 _=q)lt-UY Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 4^70r9hV9 RS<c&{?
B{s[SZ JZu7Fb]L9 2. 系统参数 b%,5B Jev@IORN\ 元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 .__X[Mzth3 pl
q$t/.U;
0\o0(eHCQz ((EN&X,v 3. 说明:平面波(参考) z>~`9Qiw' vj?9X5A_ 采用单色平面光源用于计算和测试。 ?PyI#G
`U(A 5
G:u[Lk#6K A8c'CMEm 4. 说明:双线钠灯光源 rm3~] f} }Bb8 H -.3r 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。 K{M_ 4'\ 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)。 :Nc~rOC_ 由于低气压灯的扩展发射区域,钠灯可视为平面波。 u"pn'H m'aw`?
KMoRMCT qUpMq:Uw 5. 说明:抛物反射镜 ET=q
1t8 _i}6zxqw fB 利用抛物面反射镜以避免球差。 ;EL!TzL:8 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。 #ye++.7WK T`a [~:
Y&'2/zI6~ ]C)PZZI='
CmJ*oXyi <0R?#^XBZB 6. 说明:闪耀光栅 ?>RJ8\Sj 8.Y6r [.Kia
> 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 2{+\\.4Evk 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<7 b VCbnS191*
J"6_H =s zUwz[^d<C
ua4QtDSs O%0G37h 7. Czerny-Turner 测量原理 [|k@Suv |z N<N!it 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。 g%4|vA8
S'6(&"XCH
O;qS3 )2bPu[U R['qBHQ? 8. 光栅衍射效率 l6l)M h"wXmAf4% zpg*hlv 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。 }p8a'3@Z 因此,每一个波长的效率可视为独立的。 /:U\U_j 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) DJrA@hm/Y \:-; {
n~K_| file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd !y4o^Su[ J
tYnBg?[E 9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ^P&y9dC. =C<_rBY
5p= T*Y eT}c_h) 由于VirtualLab的相对位置系统,只设置了沿Z轴方向的距离。 h\D
y(\ /A<L 10. Czerny-Turner 系统的3D视图 }ZvL%4jT (hd2&mSy
,VJ0J!@ Zf?>:P 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)。 K[T?--H 不仅如此,距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Q !S"=2 3&3S*1b-H 应用示例详细内容 SBeb}LZ /o8h1L= 仿真&结果 mQJRq??P EkjO4=~UC 1. 结果:利用光线追迹分析 @uT\.W:Q2 首先,利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 uWi+F)GS^K 对于该分析,采用内嵌的光线追迹系统分析器。 sl/# 1B OU0\xx1/
(B,CL222x Jqjb@'i file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ^U:pv0Qz tR0o6s@v/< 2. 结果:通过虚拟屏的扫描 QXgh[9wG 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)。 gZ/M0px 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度, vxZz9+UbF
ho fZpM 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。 3VALrb; yy/wSk
Tfs7SC8ta animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 6^UeEmjc -br/ 3. 衍射效率的评估 ]#R;%L 为选择合适的仿真引擎,必须考虑孔径衍射效应的影响。 SvDVxK <E$5LP;:
}MXZ 比较经典场追迹和几何场追迹+可知,由于两者的差别较小,可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 VJZ
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd /g@.1z1w R}>Gk 4. 结果:衍射级次的重叠 3H@TvV/;f 因为光栅用于分离多谱段(如可见光),所以不同衍射级次可能发生重叠。 ?sp VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 ihf5`mk/$ 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。 6D3fkvcZ 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:Ju20D 光栅方程: CKNH/[ZR,
BNuzlR
c?>Q!sC (#LV*&K%IC }c%QF 5. 结果:光谱分辨率 i&{8a3B MP;7u%
L;E9"7Jo file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run lj'c0k8 /Q})%j1S0 6. 结果:分辨钠的双波段 i nF&Pv | |