光學(xué)實(shí)驗(yàn)中激光束的空間針孔濾波與準(zhǔn)直的調(diào)節(jié)技巧

【摘" "要】" "在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，通常需要對激光束進(jìn)行濾波、擴(kuò)束與準(zhǔn)直等處理。然而，文獻(xiàn)中并沒有這方面的詳細(xì)教程，剛接觸光學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生在處理激光束的空間針孔濾波與準(zhǔn)直時(shí)，會存在一些問題且耗時(shí)過多，從而嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度和效果。詳細(xì)介紹了空間針孔濾波和平行光準(zhǔn)直的調(diào)節(jié)技巧，并配有相關(guān)實(shí)驗(yàn)器材介紹和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以期能夠幫助初學(xué)者快速掌握其調(diào)節(jié)方法。

【關(guān)鍵詞】" "光學(xué)實(shí)驗(yàn)；空間針孔濾波；激光準(zhǔn)直

【Abstract】" " In optical experiments， it is usually necessary to filter， expand and collimate the laser beam， but literatures did not provide this information. Many students who are new to optical experiments may encounter some problems and spend too much time when dealing with the spatial pinhole filtering and collimation of laser beams， which seriously affects the progress and results of experiments. This paper elaborately introduces the adjustment techniques for spatial pinhole filtering and parallel light collimation， and some relevant experimental equipment， and gives a conclusion， hoping to help beginners quickly master the adjustment methods.

【Key words】" " "optical experiment; spatial pinhole filtering; laser collimation

〔中圖分類號〕 O436.1" " " " " " " " " "〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕" A

〔文章編號〕 1674 - 3229（2024）04 - 0126 - 03" " "DOI：10.20218/j.cnki.1674-3229.2024.04.019

0" " 引言

光學(xué)是物理學(xué)專業(yè)的一門重要課程，各高校開設(shè)了工程光學(xué)、信息光學(xué)等專業(yè)課，并將現(xiàn)代化教學(xué)模式融入到課程教學(xué)中［1］。除了光學(xué)課堂教學(xué)以外，各高校還積極推廣了多層次的分類實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新能力［2］。由于激光束具有高單色性、高亮度、高方向性和高相干性等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常被作為光學(xué)實(shí)驗(yàn)的光源系統(tǒng)［3］。然而，激光器發(fā)射出的激光束光斑尺寸較小，無法滿足均勻照明物體的要求，通常需要對激光束進(jìn)行擴(kuò)束與準(zhǔn)直等處理。但是，若光學(xué)元器件表面上有灰塵、污漬時(shí)，由于激光的高相干性特點(diǎn)，使擴(kuò)束后的光場中存在許多衍射斑紋（即相干噪聲），因此看起來很“臟”［3］。為了改善光束質(zhì)量，使擴(kuò)束后的激光具有平滑、均勻的強(qiáng)度分布，需要利用針孔濾波器進(jìn)行空間濾波，即針孔濾波［4-5］。在光學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生經(jīng)常對空間針孔濾波的調(diào)節(jié)比較困惑，甚至是無從下手，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效果。本文從實(shí)驗(yàn)操作員的角度出發(fā)，詳細(xì)介紹了激光束的空間針孔濾波、擴(kuò)束與準(zhǔn)直的調(diào)節(jié)方法以及操作的有關(guān)技巧，希望能夠幫助學(xué)生快速掌握其調(diào)節(jié)方法。

1" " "空間針孔濾波器原理

空間針孔濾波器的原理是將激光束通過高數(shù)值孔徑物鏡聚焦后形成微米量級尺寸的光斑，針孔只讓零級頻率的光場成分無干擾地通過，起著低通濾波器的作用，它能消除擴(kuò)束過程中產(chǎn)生的高頻噪聲成分［4-5］，原理如圖 1 所示。

針孔濾波器是指在厚度為0.5 mm的銦鋼片上利用激光打孔的方法制成直徑約為5～30 μm的小孔。由于針孔尺寸比較小，在使用時(shí)要特別注意拿取的方法，不能用手指直接觸碰銦鋼片，以防止針孔受灰塵堵塞或污染而無法使用。針孔使用之前，可以先在顯微鏡下檢查，挑選孔壁圓滑、孔徑大小合適的針孔，也可以直接根據(jù)濾波后的光斑判斷針孔情況，若衍射光斑是圓形且光滑，說明孔壁圓滑。

設(shè)未經(jīng)過聚焦透鏡前的高斯光束束腰半徑為[w0]，束腰所在位置與聚焦透鏡的距離為[s0]，聚焦透鏡焦距為[f]，且[s0?f]，通過高斯光束理論可以計(jì)算出聚焦透鏡焦平面處的光斑半徑[wi] ［6］。

在選擇針孔尺寸時(shí)，針孔半徑[r]應(yīng)大于（1）式的光斑半徑[wi]。主要有3個(gè)原因：首先，高斯光束光強(qiáng)從中心到邊緣按指數(shù)衰減，在[r'=wi]處，光強(qiáng)衰減為中心光強(qiáng)的[1∕e2]，但仍有較強(qiáng)的光強(qiáng)，若針孔選得過小，會使光強(qiáng)損耗過大，濾波調(diào)節(jié)將會變得異常困難；其次，高斯光束具有一定的發(fā)散角，而針孔具有一定厚度，針孔兩端的光斑半徑大于[ωi]；最后，針孔一般很難做得十分圓滑，光束在針孔邊緣的無規(guī)則散射會形成新的干擾，使濾波失敗。按照實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，針孔半徑應(yīng)為光斑半徑的3～5倍，通常選用半徑為[10～20 μm]的針孔為最佳［7］。

在濾波時(shí)，需要將針孔調(diào)至物鏡后焦面上的亮斑處，因此針孔和高數(shù)值孔徑物鏡需要安裝在一個(gè)調(diào)整架上，并利用3個(gè)互相垂直方向的旋鈕來調(diào)節(jié)針孔與物鏡的相對位置。如圖 2 所示，軸向調(diào)節(jié)旋鈕可推動(dòng)物鏡使聚焦光斑靠近或遠(yuǎn)離針孔，而2個(gè)橫向調(diào)節(jié)旋鈕可以調(diào)節(jié)針孔的橫向位置，使針孔與聚焦光斑中心重合。

2" " "激光束濾波、擴(kuò)束與準(zhǔn)直的詳細(xì)實(shí)驗(yàn)步驟

2.1" "激光器調(diào)水平

眾多高校批量引進(jìn)的光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，大多數(shù)是采用滑軌式的光學(xué)底座，所有的光學(xué)器件都是固定在滑軌上，要求調(diào)整實(shí)驗(yàn)光路時(shí)必須滿足共軸原則，即保證整個(gè)光路的光軸平行于導(dǎo)軌臺面且在同一高度上，否則光路偏離導(dǎo)軌臺，激光束無法通過后續(xù)光學(xué)元器件。因此，激光器調(diào)水平極為重要。具體步驟：將可變光闌縮成小孔并設(shè)置合適的高度（通常設(shè)置為支柱的一半高度）放置在導(dǎo)軌上；當(dāng)小孔固定在激光器的近處時(shí)，通過調(diào)節(jié)激光器的整體高度和方向，保證激光束通過小孔（如圖3（a）所示）；再將小孔移至遠(yuǎn)處固定，通過調(diào)節(jié)激光器固定平臺上的兩個(gè)旋鈕，保證激光也能通過遠(yuǎn)處的小孔（如圖3（b）所示）；反復(fù)調(diào)節(jié)，最終使激光束在近處和遠(yuǎn)處都能通過小孔，確保激光沿著導(dǎo)軌水平傳播。

2.2" "空間針孔濾波器的調(diào)節(jié)

當(dāng)激光束調(diào)節(jié)水平后，可進(jìn)行激光束的空間針孔濾波操作。將空間針孔濾波器安裝在滑軌上，在激光器和濾波器中間可放置一個(gè)能量衰減器，用來調(diào)節(jié)激光器的能量和亮度，以保護(hù)實(shí)驗(yàn)員的眼睛和滿足實(shí)驗(yàn)操作的需求。將小孔（高度不變）放置在空間濾波器（注意針孔需先取下，即未濾波）后面，通過調(diào)整濾波器的整體高度和方向，保證激光束通過濾波器的高數(shù)值孔徑物鏡后產(chǎn)生一個(gè)較大的彌散斑，其中心與小孔重合，再固定濾波器，其原理是激光束通過物鏡后主光線方向不變。再將可變光闌換成白屏，確定散斑中心點(diǎn)在白屏上的位置，可用記號筆做好標(biāo)記，選為參考點(diǎn)，如圖4所示。

將針孔放到濾波器上（即開始濾波操作），此時(shí)彌散斑消失，會在白屏上出現(xiàn)一個(gè)非常微弱的光亮點(diǎn)（此時(shí)環(huán)境需要相對黑暗，若光亮點(diǎn)并未出現(xiàn)時(shí)，可用手指輕輕撥動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)針孔，直到找到小亮點(diǎn)，如圖5（a）所示）；通過調(diào)節(jié)濾波器針孔架上的兩個(gè)橫向旋鈕，將此光亮點(diǎn)調(diào)到參考點(diǎn)的位置，再推動(dòng)濾波器的軸向旋鈕將物鏡靠近針孔，光亮點(diǎn)會慢慢變亮但位置可能會發(fā)生移動(dòng)，則需要調(diào)節(jié)針孔架上的兩個(gè)橫向旋鈕確保光斑中心在參考點(diǎn)位置；繼續(xù)推動(dòng)物鏡，反復(fù)調(diào)節(jié)，最終產(chǎn)生一個(gè)非常均勻的彌散斑（即光斑中間沒有衍射條紋和相干噪聲條紋），則完成空間針孔濾波，如圖5（b）所示。

2.3" "激光束的準(zhǔn)直

濾波完成后，在空間濾波器后面放置小孔光闌，通過調(diào)節(jié)小孔光闌選取中間合適的均勻圓形光斑（如圖6（a）所示）。再將透鏡放置光路中，離針孔距離可根據(jù)透鏡焦距預(yù)估，保證光斑通過透鏡中央部位，且后面用白屏接收光斑。首先，不要固定透鏡位置，而是通過多次嘗試調(diào)整位置和透鏡高度，保證通過透鏡后的光斑在白屏上的位置和大小隨著白屏的移動(dòng)而不變，則完成激光束的準(zhǔn)直，形成平行光束（如圖6（b）所示）。

2.4" "注意事項(xiàng)

在做光學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)必須注意以下事項(xiàng)：第一，雖然普通的激光器能量小，不會灼燒皮膚，但不能用眼睛直視激光，否則會造成眼睛的損傷；第二，在滑軌的光學(xué)平臺上，由于所有光學(xué)器件必須滿足共軸原則，在添加任何光學(xué)器件時(shí)都需要將光束調(diào)節(jié)水平，即主光線與導(dǎo)軌平行，否則光束無法通過后續(xù)光學(xué)元件；第三，任何光學(xué)元件都必須牢牢固定，并且調(diào)節(jié)完成的光路不能輕易觸碰，否則一個(gè)微小的誤碰都會破壞整個(gè)光路，光學(xué)現(xiàn)象就會完全消失，整個(gè)光路則需要重新調(diào)節(jié)。

3" "結(jié)語

本文闡述了針孔濾波器的基本結(jié)構(gòu)和原理，詳細(xì)介紹了針孔濾波及平行光的準(zhǔn)直調(diào)節(jié)技巧，并配備了相關(guān)的教學(xué)圖片。這是一種快速、高效的調(diào)節(jié)方法，能夠幫助學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)掌握空間針孔濾波的調(diào)節(jié)和平行光的準(zhǔn)直等操作，從而可以提高光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效果。

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［2］ 候秀芳，陳亮. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)分類培養(yǎng)教學(xué)體系的構(gòu)建［J］. 廊坊師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，14（3）：109-111.

［3］ 呂百達(dá).激光光學(xué)［M］．成都：四川大學(xué)出版社，1986．

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［6］ 周炳琨，高以智，陳倜嶸，等. 激光原理（第七版）［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2014．

［7］ 黃建群，胡再國，汪仕元.空間針孔濾波器的使用技巧［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2003，23（10）：35-36+38.

責(zé)任編輯" "曹秀利

［收稿日期］" "2024-07-20

［基金項(xiàng)目］" "安徽省高等學(xué)校省級質(zhì)量工程（2022xxkc028）

［作者簡介］" "徐華鋒（1987- ），男，博士，安徽理工大學(xué)副教授，研究方向：激光傳輸與光場調(diào)控。