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2023-04-11 08:39 |
Czerny-Turner单色仪&光谱仪的仿真
测量系统(MSY.0003 v1.1) -[cTx[Z, vEJWFoeEFm 应用示例简述 wne,e's}
OX\A|$GS 1.系统说明 kqFP)!37 wB.&}p9p 光源 02c':a=7 — 平面波(单色)用作参考光源 KrQ1GepJ — 钠灯(具有钠的双重特性) A~)D[CV 组件 lhy*h_> — 光阑(狭缝),抛物面反射镜,闪耀光栅 E7rDa1 探测器 hb}+A=A=+ — 功率 aDU<wxnSvO — 视觉评估 E|iQc8gr& 建模/设计 'uBu6G — 光线追迹:初始系统概览 9Z4nAc — 几何场追迹+(GFT+): jIJ~QpNE 窄带单色仪系统的仿真 nLXlU*ES 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 KVclhT<F fp`;U_-&0 2.系统说明 k>;`FFQU> F1*>y
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'K<'2 y
[}.yyye 3.系统参数 ofm#'7P 0 g6j?,c|y
,E S0NA -t!~%_WCv l+KY)6o 4.建模/设计结果 d;boIP`M; TM%|'^)
*/`ki;\A ?9
<:QE;I> 总结 >mwlsL~X 0"<H;7K#W 模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 E(>=rD /+ 1. 仿真 ,Vc6Gwm 以光线追迹对单色仪核校。 BC^ := 2. 研究 9ijfRqI=x 应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 J,'M4O\S 3. 应用 <cps2*' 应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 , qMzWa 可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 +}Dw3;W}m YvaK0p0Z 应用示例详细内容 R@1 xt@? 系统参数 <FV1Wz .s?L^Z^ 1. 仿真任务:Czerny-Turner干涉仪 &*M!lxDN Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 Acez'@z q+yQwX{
8'HEms BtkOnbz8X 2. 系统参数 Ua:}V n&! KLST\Ln: 元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 cuax;0{% p$S*dr
l!D}3jD 5'OrHk;u 3. 说明:平面波(参考) c[0}AGJ Z@4Arfl 采用单色平面光源用于计算和测试。
Vr3Zu{&2 lU8l}Ndz"
pC#E_*49 W: z6Koc0 4. 说明:双线钠灯光源 Zu*F#s!tUI j*|VctM yuh * 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。 E^B'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)。 &l}^iP'%! 由于低气压灯的扩展发射区域,钠灯可视为平面波。 P\E<9*V Yj&F;_~
u+9hL4 )HEa<P^kJl 5. 说明:抛物反射镜 5?f ^Rz /J]5H 1.}d.t
利用抛物面反射镜以避免球差。 %Hu5K>ZNYp 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。 `aOFs+<) tR#OjkvX
2R[:]-b &)QX7*H
]_)yIi" ]=\].% > 6. 说明:闪耀光栅 Sh/08+@+L: x'8x
{y)=eX9 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 ]}V<*f 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 0j^Kgx 4j-Xi
-{("mR&] N:^n('U&j
AzPu) y#`tgJ: 7. Czerny-Turner 测量原理 G?yLo 'Ulo P?%s
#I: 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。 ___~D
dq ^vZSUfS
1s\Wtw: [|v][Hwv (|2t#'m 8. 光栅衍射效率 ]>!K3kB aHD]k8m z 9p]QM)M 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。 !M(xG%M-V 因此,每一个波长的效率可视为独立的。 Ao 'l"- 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) rm7ANMB: EAUEQk?9
X;$+,&M" file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd #`^}PuQ ;[ZEDF5H 9. Czerny-Turner系统的光路图设置 @@f"%2ZR[ yWmJ~/*lG
nkPh,X\N0 9+|$$) 由于VirtualLab的相对位置系统,只设置了沿Z轴方向的距离。 R*,MfV $t+,Tav 10. Czerny-Turner 系统的3D视图 b1I]>\ =nHUs1rKn
(g]!J_Z" .xCZ1|+gG 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 gb1V~ 不仅如此,距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 }:zE< bK %UrueMEO 应用示例详细内容 }dX*[I U gat1Pz 仿真&结果 \
#F hgG9m[?K 1. 结果:利用光线追迹分析 ic:zsuEm 首先,利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 '@v\{ l 对于该分析,采用内嵌的光线追迹系统分析器。 #~]zhHI Fe*R
VD*6g%p "S[450% file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd u,ho7ht3( h,:m~0gmj 2. 结果:通过虚拟屏的扫描 LBeF&sb6 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 |d2SIyUc 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度, K-)]
1BG
>Er|Jxy 通过该功能给定波长,可以自动设置合适的倾斜角。因此,如为了仿真全谱段,参数运行必须指定波长。 bW427B0 6_o*y8s.
3DX*gsx( animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 8Al{+gx@? n&4N[Qlv, 3. 衍射效率的评估 :LQYo'@yB 为选择合适的仿真引擎,必须考虑孔径衍射效应的影响。 tU5zF.% QW~E&B%
QE+g
j8 比较经典场追迹和几何场追迹+可知,由于两者的差别较小,可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 `,(4]tlL file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd bSlF=jT[S %A/0 ' 4. 结果:衍射级次的重叠 L<cx:Vz 因为光栅用于分离多谱段(如可见光),所以不同衍射级次可能发生重叠。 H7Rx>h_ VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 C3f' {} 0级衍射并不分散,但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 "S]0 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) q[_VuA]& 光栅方程: e)k9dOR }-{H Y
3*XNV D/gw .XYL C==hox7b 5. 结果:光谱分辨率 k
.;j ub0.J#j@
sE<V5`Z= file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run Et_bH%0 Y] _ruDIW 6. 结果:分辨钠的双波段 gs[uD5oo< 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 k"%~"9 eKgBy8tNS0
,-LwtePJ0 tS5hv@9cWx 设置的光谱仪可以分辨双波长。 r+i($jMs wmL'F:UP file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run jOunWv| 8'[7
)I= 7. 总结
x+:UN'"r 模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 \)904W5R 1. 仿真 =o(5_S.u; 以光线追迹对单色仪核校。 =ho}oL,ZO 2. 研究 ^mDe08.
%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。 0S_~ \t 3. 应用 gCS<iBT(7 应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 #Y`~(K47 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。 $9#H04.x 扩展阅读 ~
'cmSiz- 1. 扩展阅读 7kLz[N6Ll 以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 KP^V>9q jD]~ AwRJ 开始视频 ZY= {8T@ - 光路图介绍 wk D^r(hiH - 参数运行介绍 jXx<`I+] - 参数优化介绍 @f~RdO3 其他测量系统示例: 3{64 @s - 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) S~bOUdV
Z - 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) TDKki(o=~
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