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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) q5G`N>"V ecMpU8}rR 应用示例简述 !%/2^ cyH=LjgJf 1.系统说明 u-u:7VtH0= ufB9\yl{~ 光源 %zYTTPLZ — 平面波(单色)用作参考光源 t3<HE_B| — 钠灯(具有钠的双重特性) j*_>/gi 组件 f#&@Vl(i& — 光阑(狭缝),抛物面反射镜,闪耀光栅 eHc.#OA& 探测器 sp7#e%R\ — 功率 TdL/tg! — 视觉评估 q-r5z GI 建模/设计 0
} |21YED — 光线追迹:初始系统概览 (gEz<}Av. — 几何场追迹+(GFT+): },%,v2} 窄带单色仪系统的仿真 Ij?Qs{V 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 *(o^w'5 xzb{g,c 2.系统说明 xMA2S*%ca q22@ZRw
1Gw_S?$7 "Z#MR`;&29 3.系统参数 $]~|W3\G T~naAP
I3AxKA B*^8kc:)L hY/i)T{ 4.建模/设计结果 }w5`Oig[ 98I m/v
"u3 N9 v
M $Tn 总结 &`}ACTY'P =/kT| 模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 NC%)SG \ 1. 仿真 P,bis7X. 以光线追迹对单色仪核校。 q)!G5j3 2. 研究 s@K #M 应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 keS%w]87 3. 应用 A&`7 l5~X 应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 jF6[+bW< 可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 n:[LsbTk @O| lA 应用示例详细内容 x?2y^3<5 系统参数 vqRW^>~-B Mo&Po9 1. 仿真任务:Czerny-Turner干涉仪 EoOwu-{ Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 bdyIt)tK+ eXQzCm
'_%`0p1 ^fhkWx 4i 2. 系统参数 p2j=73$ _j?/O)M
c 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。 aZL
FsSY c59l/qoz
ILT.yxV 29k\}m7l<* 3. 说明:平面波(参考) ZZU"Q7`^ AjMx \'(C 采用单色平面光源用于计算和测试。 Y-G;;~ /@9-D
4
?OdJt Zl7m:b2M 4. 说明:双线钠灯光源 N}7tjk Jc, {n* [ FNA: 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。 =xPBolxm5U 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)。 5#$5ct 由于低气压灯的扩展发射区域,钠灯可视为平面波。 3QD##Wr^ >TwL&la
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,yh384 APY*SeIV 5. 说明:抛物反射镜 /@f3|L<1@V P[a\Q`}L S`&YY89{& 利用抛物面反射镜以避免球差。 ^r0mx{i& 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。 ccJ!N &HYs^|ydrr
"P{T] \!,qXfTMB
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w>T1 y1+~IjY 6. 说明:闪耀光栅
B!+`km5 l/@t>% . [5{ 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 [";<YR7iRN 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 Dl95Vo=1 :{KoZd
5b-: e? | ET}Dh3A
Hm55R PK|"+I0 7. Czerny-Turner 测量原理 (
mKuFz7 $r87]y! 通过光栅倾斜角的变化,入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 H}B%OFI \+ "Rv],O"
a5# B&|#q iLD:}yK b{wj4
8. 光栅衍射效率 JJ$q * XB'PEvh8 +$H`/^a. VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 'vUx4s 因此,每一个波长的效率可视为独立的。 Zjx:1c= b 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度:(可被测量系统的计算视为如此) PK<+tIm\ #DFfySH)A
BR [3i}Ud file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd E/_I$<,_y CDTM<0`% 9. Czerny-Turner系统的光路图设置 9akIu.H /vLdm-4
q2C._{ 0' ;}k9YlQrN 由于VirtualLab的相对位置系统,只设置了沿Z轴方向的距离。 - r!sY+Z> }L.&@P< 10. Czerny-Turner 系统的3D视图
).b,KSi o)pso\;
.V Cfh+*J# O^,%V{]6\ 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)。 w`$M}oX( 不仅如此,距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 #[C=LGi _pS|bqF 应用示例详细内容 O W|5IEC F+3}Gkn 仿真&结果 _`(WX;sK -x?I6>{ 1. 结果:利用光线追迹分析 )IH|S5mG? 首先,利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 d1rIU6 对于该分析,采用内嵌的光线追迹系统分析器。 vRQ7=N{3 ecRY,MN
@ysc?4% q jJK`+J,i}X file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd uVn"'p- }; ;Thfd 2. 结果:通过虚拟屏的扫描 yxx'g+D* 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)。 TC+L\7 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度, 2aR<xcSg
EDf"1b{PX 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。 88l\8k4r t.`&Q|a
NM{/rvM animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms f6r~Ycf,f XDdF7i} 3. 衍射效率的评估 /eO:1c
为选择合适的仿真引擎,必须考虑孔径衍射效应的影响。 zY=eeG+4s "A]Xe[oS
UTLuzm 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。 Ey#7L
M) file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd [ u.r]\[J ?~p]Ey}~9 4. 结果:衍射级次的重叠 7B)m/%>3s 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。 'C2X9/!, 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)。 <lo\7p$A 0级衍射并不分散,但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 dz>2/' 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) :[r/
Y 光栅方程: NrK.DY4 5Y(<T~
D02(6| _* m<Z;Et nUy. gAb 5. 结果:光谱分辨率 N7
FndB5% S<Os\/*
js..k*j file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run rijavZS6 6^l|/\Y{ 6. 结果:分辨钠的双波段 pRys 5/&v 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 :2zga=)g J_S8=`f%
`]7==c #Y pv[Gg^ 设置的光谱仪可以分辨双波长。 |Fi{]9(G2 bpx
^ file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run >2t.7UhDI JuKG#F#, 7. 总结 -Is;cbfLj/ 模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 MfA@)v 1. 仿真 ?` lD|~ 以光线追迹对单色仪核校。 [. Db56 2. 研究 B{ A b# 应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 ;0vCZaEF 3. 应用 Fc6o6GyL|o 应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 4^Y{ BS fF 可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 qipV'T,S 扩展阅读 9$?Sts}6& 1. 扩展阅读 Fd86P.Df 以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 xt&4]M
V J6I:UML 开始视频 FMi:2.E - 光路图介绍 C<Z{G%Qm - 参数运行介绍 r@a]fTf - 参数优化介绍 48IrC_0j 其他测量系统示例: 0MI4"< - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) "vka7r - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) lQM&q ZfMs6`Wv
1 vh#81}@N7* QQ:2987619807 OUk"aAo
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