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Zemax光学设计实例（94）--- 在序列模式下双光栅结构的设计

2021-12-20 11:01| 发布者：Davis| 查看：2360| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了在Zemax中使用序列模式下双光栅结构进行光学设计的实例。详细阐述了光栅的作用和原理，以及如何设置光栅的相关参数来实现更大的衍射角。同时，通过设计仿真演示了如何改变两个光栅的相对位置来实现色散条长度的变化。

序言：

光栅，是一种衍射单元周期重复排列的光学元件。简单来说，光栅的作用就是对入射光的振幅或/和相位产生空间调制。当光波在光栅上发生透射或反射时，由于衍射效应，在远场形成一定的衍射图样。

在zemax中，可以在序列模式和非序列模式下模拟光栅。

在序列模式下，衍射光栅面类似于标准面，只是多了刻线数（lp/mm）和衍射级次等参数，光栅刻线与局部x轴平行。通常通过在光栅的前后表面增加坐标断点来实现不同的入射角。

在非序列模式下，可直接选择光栅模块，同样需要设置光栅的相关参数。

由于zemax对光栅的模拟，本质上是对光程偏离的拓展，因此效率和透过率等参量无法正确定义。

本例是在序列模式下模拟光栅，在光栅刻线数有限的情况下，通过在合适的位置增加光栅个数来实现更大的衍射角。

光栅的参数如下表：

材料	光栅尺寸	光栅分辨率	使用波长	入射角	厚度
熔融石英	8.1mm×8.1mm	966lp/mm	475～1100nm	17.3°	0.625mm

使用一个光栅时，在入射波长为568～608nm时，衍射角为2.3°，经过100mm后的色散条为4mm，为了在有限距离处得到更大的线色散，可以用两个光栅串联的方式来实现。

设计仿真：

首先输入系统特性参数，如下：

在General系统通用对话框中设置系统入瞳直径为0.5mm。

在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并输入“0.5”；

视场为0视场。

波长为568nm、578nm、588nm（主波长）、598nm和608nm。

然后，创建两个光栅的初始结构，该结构由两个光栅面组成。

由于光栅改变了光轴的方向，因此应将光阑放在光栅面之前。

第2面和第4面的面形选为Diffraction Grating，厚度为0.625mm，材料为SILICA（熔融石英），刻线数为0.966lp/um，衍射级次为-1。

光栅的尺寸为8.1mm×8.1mm，所以需要将第2面至第5面的孔径（Aperture）界面设置为矩形孔径（Rectangular Aperture），并将x、y方向半高设为4.05mm，如下图：

光栅的入射角为17.3°（设计值），所以需要在第一个光栅面前加入一个坐标断点（Coordinate Break），在Tilt About X中输入17.3°。由光栅方程（n₂sinθ₂-n₁sinθ₁=kλ/d=kλT）可以计算出，对于588nm的入射光，衍射角为15.699°，所以需要在第一个光栅的后表面也添加一个坐标断点，在Tilt About X中输入15.699°。

对于第二个光栅面，同样需要在前后面各添加一个坐标断点，同样需要在Tilt About X中分别输入17.3°和15.699°。两个光栅之间的间距是10mm，第二个光栅到像面的距离是90mm。

LDE参数如下图：