Zemax模拟光栅光谱仪

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1、Zemax模拟光栅光谱仪王忠杰、张濛、岑剡ZEMAX是美国RadiantZemax公司所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运算sequential及Non-Sequential的软件。本文介绍用Zemax模拟光栅光谱仪的方法，其中各元件的位置数据和参数参照实际实验。打开Zemax，进入如下界面，该界面为序列模式界面。Zemax分为序列模式、非序列模式、序列-非序列混合模式，其中序列模式是研究光路严格的按照从一个参照面到下一个参照面的直线顺序的情况，对于

2、光栅光谱仪这种各元件三维非直线次第排列的情况，我们选择非序列模式来进行模拟。点击左上角下拉按钮文件-非序列模式，选择删除所有序列模式数据并进入纯非序列模式，进入页面：其中objectivetype为元件类型，后面有各项参数，如x、y、z坐标等。Nullobject即“无”的意思。要模拟的CCD光栅光谱仪结构如图：从左到右依次是：矩形光源-透镜-狭缝-平面反射镜-球面反射镜-光栅-球面反射镜-探测器。上述光栅的最终结果如图按下菜单栏下的L3n按钮，即可调出如上图的原件分布，其中向右为z方向，向上为y方向，垂直纸面向外为x方向。在该视图中可以实现放大-

3、缩小，旋转来观察系统等功能。按下L3n旁的LSn按钮，可看到上了色的3D实际系统图像。下面在非序列模式中构造上述光栅。点击非序列部件编辑中的第一个面，按Insert键即可在其后再插入一个面。1.插入矩形光源：实验中所用的汞灯实际上是矩形光源，右击第一个面的Objectivetype，进入如下界面点开“类型”下拉按钮，选择SourseRectangle每个面后都有参数可以调整x、y、z坐标及绕x、y、z轴旋转的角度，我们在模拟实际实验的情况下模拟光栅，其中光源面的参数如下（长度的单位为mm）：未提及的参数都为默认值0.其中LayoutRays为在L3

4、n、LSn视图中所追迹的光线数目，只表示在3d显示时画出的光线数目，对实际光路无影响。Power为所选光线的功率，X、Yhalfwidth为矩形光源的x、y方向半宽。点击菜单栏下的Wav按钮输入两波长为577nm和579nm，为汞灯双黄线，后方权重可调整二者比例。调整好后，矩形光源发出的光波长即被确定。1.插入透镜：将第二个面的面类型选为StandardLens，输入透镜数据。Material栏输入BK7为所采用的玻璃材料类型，Radius1Radius2为透镜前后两面的曲率半径，往往Radius2为负数。Clear1、2，edge1、2为前后两面

5、的半径，一般选取这四个数据相等都为透镜的半径，thickness为透镜的厚度。我们的透镜参数如下：2.入射狭缝：入射狭缝的构造思路是，在某一XY平面上放置四个矩形挡光面，构造四个矩形来在中间形成一个透光狭缝，通过改变两个矩形的半宽来改变狭缝宽度。插入四个面。面类型选择Rectangle，material栏输入MIRROR构成反射挡光镜，我们的参数如下：上面3、4面的YHalfWidth为99.95mm，入射缝宽即为2*（100-99.95）=0.1mm。1.插入平面反射镜：面类型选择Standardface，材料栏填写MIRROR，MaxAper为

6、镜子通光的最大光阑，这里就是镜子的半径，MinAper输入零。其他位置和旋转角度自行调解。其中Radius为零即可，无需调解。这里Radius=0等同于INFINITY，即曲率半径为无穷的平面镜。2.插入球面反射镜：面类型等操作同上，只是Radius输入300，实验所用的球面反射镜焦距为150mm，曲率半径为300mm。3.插入光栅：面类型选择diffractiongrating，材料输入BK7，采用玻璃，ClearEdge等参数意义同透镜，参数“Lines/玠”实际上是“Lines/um”，每微米的刻线数。CCD光栅的刻线数为300/mm，所以该

7、参数输入0.3，“difforder”为衍射级数，输入“1”。由于插入的光栅是透射光栅，为了模拟反射光栅，可在其后加入一个反射镜，同平面反射镜。注意这个反射镜的插入位置要远离光栅，并保持与光栅平行，以保证光透过光栅，然后经过反射镜反射后，反射光不再经过光栅，否则反射光会再发生一次一级衍射，导致一级衍射光的出射方向与实际不符。然后读取光路的坐标，实际实验中，注意消除该操作造成的位移偏差。1.插入后一个球面反射镜：同上，不做赘述。2.插入探测器（相当于实验中的CCD）面类型选为“DectRect”，矩形探测器除了位置和转动外，还有X、Y方向半宽调解，以

8、及“Xpixels”“Ypixels”，XY方向的像素，像素越高，成像越清晰，材料栏空着。1.探测成像结果点击分析-侦测器