Zemax操作23--衍射光栅仿真（上）

基础知识

衍射光栅是由密集、等间距平行刻线构成的，它利用多缝衍射和干涉作用，将入射到光栅上的光束按波长的不同进行色散，再经成像镜聚焦形成光谱。分为透射光栅和反射光栅两大类。

透射光栅

通过对透明基底（玻璃）刻画重复、平行的结构来构造，刻痕处相当于毛玻璃，透光不能完全避免，所以性能较差

满足公式：a[sin(θm)-sin(θi)]=mλ

如果入射光和衍射光在光栅法线两侧，θ均为正。否则衍射角为负

反射光栅

将金属涂层沉积到光学元件，再在表面刻平行凹槽，基底可以为高分子材料

光以对应于不同阶次和波长的不同角度从刻线表面反射

满足公式：a[sin(θm)+sin(θi)]=mλ

如果入射光和反射光在法线同侧，θ均为正。否则反射角为负

闪耀光栅

存在问题：两种光栅第0阶模都不含衍射图案，并且分别呈现为表面反射或透射，这种情况下无法获取任何与波长相关信息，这个问题可以通过创造一个具有重复性，并产生不同表面反射几何形状的表面图样来解决，即闪耀光栅

闪耀光栅：设计用于在特定的衍射阶次产生最大的光栅效率，这样以来，大部分光功率将会在设计衍射阶次下，同时将其他阶次功率最小化（尤其是0阶）

闪耀波长：闪耀光栅工作于某一特定波长时的波长

闪耀角：γ，表面结构与平行线夹角（图中竖线是平行线），也是表面与法线的夹角

间距：α，凹槽或小面间距

闪耀光栅和前面两种光栅具有相似的几何结构，并且入射角和第m阶反射角由光栅的表面法线决定。但是，闪耀光栅的镜面反射几何形状取决于闪耀角，而不是光栅表面法线，仅改变闪耀角就可以改变光栅效率

入射角θi和反射角θr，如果在法线相同侧，则θ为负

满足公式：θi-θr2γ，αsin(-2γ)=mλ

全息表面光栅

闪耀光栅的效率很高，但存在周期性误差，如鬼影以及较多的散射光。全息光栅可以消除这种误差，但是效率下降

全息光栅由底板光栅为原料，经过刻线过程制造。底板光栅是将光敏材料曝光到两束干涉激光束制成，干涉图案在表面上以周期性显现，通过物理或化学处理来显现正弦表面图案

色散单纯是基于每毫米凹痕数量，而不是形状，因此可以通过相同的光栅方程计算全息和闪耀光栅的角度

Zemax仿真

“衍射光栅”面型的用法

打开案例库Grating.ZMX，可以直接在案例库搜索，参考下面的路径

C:\Users\13591\Documents\Zemax\Samples

光栅倾斜放置，刻线0.2um，相当于200线/mm或者光栅周期5um，衍射级次为1，表示只考虑+1级衍射，也就是不能同时考虑多个级次衍射光线，但是可以用多重结构在不同结构中追迹不同级次，因为衍射角度与波长相关，因此可以用多种波长将同一级次光线分开（波分复用基础）

打开3d图，设置显示全部光线

颜色显示设为波长

打开光线像差图

将上面例子修改，可以由平面光栅改为凹面反射光栅

系统孔径改为5，波长保留间隔最大的三个，光栅材料改为MIRROR，曲率半径-50，并旋转30度，凹面反射光栅具有衍射和汇聚能力，不用外加透镜就可以将不同波长光谱分开

“椭圆型光栅1”面型的用法

该面型是一个有多项式非球面项的椭圆型面和一个有沟槽的光栅的组合体，光栅刻线平行x轴

修改面型为“椭圆光栅1”，其余按照下图修改

如果要得到一个球形椭圆面，a=b=该面曲率半径，c应等于曲率半径

a是与x轴有关的参数，b是与y轴有关的参数，如果将b改为-0.05或者a改为-0.05，如下图