调光路的几个实用技巧

本期内容预览：

1. 通过散斑寻找透镜焦平面

2. 激光的扩束及准直验证

3. 通过反射镜对准光路

1通过散斑寻找透镜焦平面

激光散斑法确定透镜焦平面位置的原理图和操作方法如下所示。这种方法操作简单，尤其适合焦距很短成像较小的透镜或者复杂的透镜系统。

激光散斑法找焦平面的原理图

操作示意图，焦点处的反射光形成强散斑

沿光路来回移动铝箔(也可以是其它散射物体)，如果铝箔位于焦平面外，被照射的铝箔面较大，反射光将在屏上形成细微的散斑；如果铝箔刚好处于焦平面，被照射的铝箔面很小，反射光将形成很强的散斑图案。下面是实际操作的动态图示。操作中务必注意激光安全事项。

当然，确定透镜焦点位置的最简单方法是对很远的物体成像，此时相当于将无穷远的物体成像在焦点处；这种方法在我们的傅里叶光学套件手册的搭建和调节章节中有详细介绍。

光路对准激光器

Thorlabs即插即用的USB激光器能通过任何USB端口供电，提供红光和绿光两种可选波长，非常适合激光对准和实验室日常使用。

2激光的扩束及准直验证

因为激光器的输出光束直径一般较小，使用前有时需要先扩束，这时可以通过望远镜光路实现，扩束比就是两透镜焦距的比值。此时在焦点附近加一个针孔可消除光束的强度噪声，得到更干净的输出光。为了达到最佳性能应使用平凸透镜，并且将平面一侧朝向焦点，如下图所示。

扩束光路简图，针孔滤波消除强度噪声

输出光束的准直度可以使用剪切干涉仪验证。激光输入剪切干涉仪后在45度光学平板的前后表面形成菲涅尔反射，两反射光束的干涉条纹通过刻有参考线的顶部散射片观察。如果干涉条纹和参考线平行则说明入射光束是准直的，否则是发散或汇聚的。

剪切干涉仪的工作原理

前后表面的反射光束形成干涉

通过剪切干涉仪验证准直器性能：干涉条纹一直与参考线平行，说明调节焦距时不会影响光束的准直。

3通过反射镜对准光路

搭建或调节自由空间光路时经常使用两个反射镜和两个光阑或小孔进行光轴对准，反射镜安装在光学调整架中具有两个调节自由度，下面是两种典型配置。

对准时可以采用以下步骤：粗略对准两个反射镜，使光束不要太偏离理想位置。调节反射镜M1使光束通过光阑I1，此时光束可能被光阑I2阻挡。调节反射镜M2使光束通过I2，如果光束被I1阻挡可以将其打开。反复操作以上两个步骤，直到光束同时通过两个光阑的中心。

请注意，使用第一个反射镜M1使光束对准第一个光阑I1，使用M2对准I2，顺序不能弄反，否则光路很快就偏了。

误差分析

通过(D1-D2)/Δz可以估算这种调节方法的最大角度误差。如下图所示，D1是光阑直径，D2是光束直径，而Δz是两个光阑的间距。显然，在光束直径一定的情况下，加大光阑间距或减小光阑孔径都可以降低对准误差。

降低对准误差：

1. 增加光束直径
2. 减小光阑孔径
3. 增加光阑间距

来源：Thorlabs索雷博

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