光谱学是一种无创性技术,是研究组织、等离子体和材料的最强大工具之一。 本文介绍了如何使用市售的
光学元件来实现透镜-光栅-透镜(LGL)
光谱仪。进行光谱仪的设置,并对其设计进行改进和
优化。(联系我们获取文章附件)
s(?A=JJ 简介
5ns.||%k 本文介绍如何使用市售的光学元件实现透镜-光栅-透镜(LGL)光谱仪,以及如何在像差和性能方面对其进行优化。本文基于文章 “如何构建光谱仪——理论依据” 中所介绍的LGL光谱仪的基础知识。
{0~xv@ U LGL光谱仪的基本设计
K^yZfpa8 在设计和实现光谱仪时,必须了解一些先决条件,并且确定出初步使用的有关光学元件和平台(文末提供了制造商网站的链接)。在本例中,我们研究了用于光学相干断层扫描(OCT)的光谱仪:
V,?BVt 光谱仪的带宽为:855 nm到905 nm之间,以匹配对人眼检查有利的OCT光源的光谱。
,|7!/]0& 我们使用的衍射光栅是由Wasatch Photonics公司生产的1800 l/mm的WP-HD1800/840-25.4相位体全息光栅。该光栅用于OCT应用设备,并在所需的波长范围内进行优化,使其获得最佳的性能。光栅的直径为 1英寸,此光栅也定义了系统的孔径。
"J=A(w5 因此,我们将使用Thorlabs生产的30mm笼型元件和1英寸
镜头来实现光谱仪。
ExW3LM9( 我们使用的
传感器是Teledyne生产的 e2V AVIIVA EV71YEM4CL2010-BA9线相机,该相机有2048个10µm宽,20µm高的像素。
-*nd5(lY& 设置光谱仪的聚焦
透镜的焦距为125mm,将几乎完全照亮传感器,中心波长的艾里斑半径为9.2µm,大约等于探测器的像素宽度(查看文章”如何构建光谱仪——理论依据”,学习如何计算这些参数)。
LP{@r ic 在OpticStudio中设计LGL光谱仪
hgU#2`fS 系统设置
g,O3\jjQ 在本例中,假设进入光谱仪的光来自单模
光纤。因此,可以将入射针孔作为点
光源进行建模。因此,在系统选项(System Explorer)中,孔径类型(Aperture Type)设置为物方空间NA(Object Space NA),孔径值(Aperture Value)设置为0.12。此设置对应于光纤的接收角。此外,将高斯切趾因子设置为1.0,来达到光束的强度分布。将波长设置为0.855µm, 0.880µm (主波长)和0.905µm,以覆盖光谱仪所需的带宽。
C4h4W3w M&h`uO/[ 准直透镜
9^zA( OpticStudio提供了包含大量商用镜头的镜头库,可以通过镜头库(Lens Catalog)找到所需镜头并将其插入镜头文件:
O={
?c1i: .~C[D
T+, 此处选择的镜头是直径为 1’’的Thorlabs消色差胶合透镜,有效焦距为60mm,膜层适合于所选的波长范围。选择焦距为60mm ,使准直光束的直径可以完全照亮衍射光栅。大孔径有利于在探测器上得到较小的衍射极限光斑尺寸。
scZSnCrR 将镜头插入到表面 1上,将在镜头文件中添加新的三行。制造商优化了镜头的无限共轭比,即无限远物体
成像到焦平面上。但我们想要做相反的事情,即:使点光源(光纤)准直。因此,需要倒转镜头。通过在OpticStudio中标记要反转的行并按下翻转元件(Reverse Element)按钮来实现的:
TNj WZ =
a54 由于镜头的焦距是60mm,因此我们将表面0的厚度设置为60mm,以满足从光纤到准直透镜的距离。此外,还增加了准直透镜和衍射光栅之间的空间距离,由于光束是准直的,则此空间距离值为30mm并不重要。将表面1设为光阑:
}~bx==SF6! m`lxQik 现在打开以上设置得到的三维布局图,你会注意到光线在镜头后没有准直。其原因是透镜还未处于相对于光纤的准确位置。OpticStudio的快速调整 ( Quick Adjust ) 功能 (通过点击:优化 ( Optimize ) > 快速调整 ( Quick Adjust ) 打开)是执行简单优化任务的非常方便的工具。选择如下参数,并调整两次:
Od?b(bE.] 将表面0的厚度更改为55.718 mm(对应厂家指定的后焦距),检查三维布局图确认镜头准直后的光束:
';J><z{> >$/PfyY7@# 衍射光栅
vUD>+*D 接下来,将衍射光栅插入系统。参考光栅规格,在镜头文件中输入以下行:
[CAV"u)0 Z&MfE0F/B 有关衍射光栅的详细信息以及如何在OpticStudio中实现,请参阅文章”如何构建光谱仪——理论依据”。
?,AWXiif 聚焦单元
Pf?zszvs 正如前一段所提到的,聚焦单元是光谱仪中最精密的元件。我们用简单的方法开始设计,选择有效焦距为100mm的Thorlabs AC254-100-B透镜。这样做能够检查
光学设计是否正确以及有什么像差。因此,将光栅与聚焦透镜之间的空间距离(60mm)、透镜和聚焦透镜与探测器之间的空间距离(97.1 mm,对应镜头的后焦距)添加到镜头文件中:
>VE!3' /' B.ar!*X 在三维布局图中,可以看到光束已经很好地聚焦在探测器上:
a(|,KWHn ,enU`}9V* 然而,查看矩阵点列图 ( Matrix Spot Diagram ) 发现:在中心波长(880 nm)处的光斑大小接近衍射极限(以黑色圆圈表示艾里斑),但在其他波长处还没有接近衍射极限。
Lk8NjK6 eN Y? 此处的像差与场曲有关,即边缘波长的光斑比中心波长的焦距短。有一些标准的策略可用来减少场曲。我们为光谱仪的聚焦单元确定了以下几个设计原则:
JXNfE,_ 使用现成的镜片,因为它们比定制的镜片更便宜,出货速度更快。
c%O8h 用单透镜代替消色差双胶合透镜,因为单透镜比双胶合透镜便宜。我们不需要校正色差,因为光栅可以分色。将通过倾斜探测器来修正不同颜色产生的不同焦距。
=.9uuF: 使用最好的镜头。经过优化这种类型的透镜以聚焦准直光束。
><