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認(rèn)識光學(xué)實(shí)驗中的常用組件

原創(chuàng) combo Thorlab 索雷博 2023-03-01 12:01 發(fā)表于上海

走進(jìn)光學(xué)實(shí)驗室時，各式各樣的光學(xué)元件和機(jī)械件可能令人有點(diǎn)理不清頭緒。但是，復(fù)雜的裝置背后存在一些基本的規(guī)則。本文將整理一些常用的光機(jī)組件及其組裝方法。

一些光學(xué)新聞或技術(shù)文章的配圖

1. 光學(xué)平臺

光學(xué)平臺是搭建光學(xué)裝置的基礎(chǔ)。平臺表面通常是一塊非常平整的不銹鋼板，上面鉆滿有序的螺紋孔陣列，內(nèi)部有用于隔振的蜂窩芯，而整個平臺坐落在進(jìn)一步隔振的支撐腿或框架上面；框架便于安裝配件。

支撐腿和光學(xué)平臺 以框架為支撐組裝光學(xué)平臺工作臺

光學(xué)平臺表面的螺紋有公英制之分。公制平臺提供間距為25 mm的M6螺孔陣列，可用帶帽螺絲將組件固定在平臺表面。帶帽螺絲頂部有內(nèi)六角，可插入六角扳手用于擰緊。英制平臺使用1/4"-20螺孔陣列。

另一種常用螺絲叫做固定螺絲(setscrew)。它們是一段螺桿，一端有內(nèi)六角，可用于固定組件，或者對接兩個帶兼容螺紋孔的組件。Thorlabs提供便利的帶帽螺絲和固定螺絲套件：前者包含不同長度的螺絲、螺帽和墊片，后者包含不同長的螺絲和六角扳手。

帶帽螺絲                    固定螺絲                  墊片

使用帶帽螺絲：加墊片防損傷墊片粗糙平面朝螺絲帽，光亮圓面朝安裝面

注意：固定螺絲或者較小的帶帽螺絲容易掉落地面。為了防止?jié)L動，可用一個敞口的容器存放。在激光器開啟時，不要彎腰去撿掉落的螺絲或其它東西。要么換一個螺絲，要么關(guān)閉激光器再撿。彎腰撿東西是激光損傷眼睛的一個常見場景。

如果不太擔(dān)心振動干擾、需要更低價的方案、裝置不太大或者需要移動，可以選擇使用面包板。

2. 光機(jī)械

模塊化的光機(jī)械有時被用戶稱為光學(xué)樂高。了解它們的組裝方法有利于快速搭建裝置。我們從下往上講。由于光學(xué)平臺表面的螺孔，光學(xué)元件可在不同位置固定。一種常用的方法是使用接桿支架：帶圓形法蘭底座的支架通過叉式壓塊和帶帽螺絲固定；帶旋轉(zhuǎn)底座的支架使用帶帽螺絲固定；不帶底座的支架可用一塊底板固定接桿支架，然后通過底板固定在光學(xué)平臺上。

下面展示了通過三種接桿支架構(gòu)造的典型裝置。

圓形底座支架                  旋轉(zhuǎn)底座支架                    通過底板安裝無底座支架

3. 接桿支架接

桿支架的圓管內(nèi)可插入接桿。這種組合便于調(diào)節(jié)光學(xué)元件的高度(越低越穩(wěn)定)，然后使用手?jǐn)Q螺絲固定。請注意，在預(yù)調(diào)節(jié)時可用手指擰，但zui終高度確定后建議用六角扳手?jǐn)Q緊，以此實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的固定。

4. 接桿

接桿是用于控制光學(xué)元件高度的不銹鋼桿(大多數(shù))。對于?12.7 mm公制接桿，底部有一個M6螺紋孔，頂部有一個M4螺紋孔和一個固定螺絲。有些接桿上還有刻度尺。如果需要，可用一個固定螺絲將兩根端接桿連成一根長接桿，但這樣的穩(wěn)定性遠(yuǎn)不如單根接桿。

5. 接桿套環(huán)

半開口的套環(huán)能靠著接桿支架固定在接桿上，這樣在松開接桿支架上的手?jǐn)Q螺絲后，可以在不改變光學(xué)元件高度的條件下旋轉(zhuǎn)接桿，而且在移除組件后還能以相同高度重新插入。這個小機(jī)械件多次出現(xiàn)在我們的實(shí)驗視頻教程中。

6. 接桿夾具

接桿夾具能穿過兩根接桿，并用兩個手?jǐn)Q螺絲擰緊，使兩者成45度或90度夾角，另外還有360度連續(xù)可旋轉(zhuǎn)版本。這些夾具便于構(gòu)造三維裝置，便于沿接桿以不同的高度安裝組件，比如下圖中用兩根垂直的接桿安裝探頭。

90度夾具                          旋轉(zhuǎn)夾具                          客戶應(yīng)用

7. 燕尾導(dǎo)軌

燕尾導(dǎo)軌可通過沉頭孔固定在光學(xué)平臺上，而接桿支架則通過滑塊安裝在導(dǎo)軌上，滑動至合適位置后使用手?jǐn)Q螺絲固定。在需要沿一條直線安裝很多元件，并且相對距離需要調(diào)節(jié)的時候，使用燕尾導(dǎo)軌是不錯的方法。

在燕尾導(dǎo)軌上用散斑確定焦點(diǎn)并搭建擴(kuò)束器             燕尾導(dǎo)軌還可用L形平臺壓塊從任意方向安裝

8. L形平臺壓塊

如果組件沒有螺紋孔或位置不對，使用L形平臺壓塊可以靈活地從不同方向安裝。這種壓塊還能為大型組件提供額外的穩(wěn)定性。

用L形壓塊固定底板                                兩個螺絲加壓塊的構(gòu)造 壓塊越水平越穩(wěn)定

9. 翻轉(zhuǎn)架

翻轉(zhuǎn)架便于從光路中插入或取出光學(xué)元件，無需重新對準(zhǔn)。它們有很多應(yīng)用。比如在Thorlabs網(wǎng)頁中介紹的精細(xì)光譜測量應(yīng)用中，用一個翻轉(zhuǎn)架(下圖中3號)能快速設(shè)置采樣光路，將激光輸入FP干涉儀。在測量完畢后翻下即可恢復(fù)原始光路。另外還有電動控制版本。

10. 籠式/立方系統(tǒng)

除了基于光學(xué)平臺或?qū)к壍陌惭b，籠式系統(tǒng)提供另一種方便的裝置搭建方法。通過四根不銹鋼籠桿很方便移動和對準(zhǔn)組件，只要放進(jìn)籠式網(wǎng)絡(luò)中就能保持不錯的同心度。籠式系統(tǒng)方便對準(zhǔn)微小的結(jié)構(gòu)，比如我們的針孔濾波器套件和一種光纖耦合套件就是基于籠式系統(tǒng)構(gòu)造的，利用直角安裝座或立方體支撐還能構(gòu)造多層次的立體光路系統(tǒng)。

光纖耦合籠式套件                       針孔濾波籠式套件

三種標(biāo)準(zhǔn)的籠式系統(tǒng)尺寸分別為16 mm、30 mm和60 mm，分別兼容?1/2英寸、?1英寸和?2英寸光學(xué)元件。有些籠式安裝座通過螺紋孔擰入籠桿，所以位置只能隨系統(tǒng)整體移動。有些從通孔中插入籠桿，所以位置很好移動；確定位置后可用側(cè)面的固定螺絲固定。

基于籠式系統(tǒng)和立方體搭建干涉儀

11. 光學(xué)安裝座

不同光學(xué)元件需要不同的安裝座，而大部分安裝座都可安裝在接桿上。有些安裝座是固定的，有些是可調(diào)的，甚至提供精密的平移或旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，還有些兼容籠式系統(tǒng)。

一般地，圓形光學(xué)元件剛好放進(jìn)安裝座的孔中。對于螺紋孔，使用卡環(huán)固定元件，這種安裝方法提供更均勻的夾持力。對于沒有螺紋的孔，使用固定螺絲(很多有尼龍頭)從外圍夾緊元件，實(shí)現(xiàn)三點(diǎn)固定，這種方法不適合太薄的元件，而且可能造成更大應(yīng)力雙折射。

12. 反射鏡

反射鏡是操控光路的基本元件。單個反射鏡只能改變光路方向，但使用至少兩個反射鏡設(shè)置光路時可以實(shí)現(xiàn)光路平移，并且維持方向。

金屬膜反射鏡在zui寬的光譜范圍內(nèi)提供高平均反射率，而寬帶介質(zhì)膜具有較窄的光譜范圍，但是在規(guī)定的光譜范圍內(nèi)提供99%以上的jue對反射率，而且損傷閾值更高。為了防止氧化并減少刮傷，有些金屬膜反射鏡上有一層透明的保護(hù)膜。

方形和圓形反射鏡

反射鏡一般安裝在光學(xué)調(diào)整架中。調(diào)整架包含由彈簧相連的前板和后板，反射鏡安裝在前板的孔內(nèi)，后板通過帶帽螺絲或固定螺絲固定在接桿上。一個角上以滾珠作為樞軸點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)螺絲讓前板靠彈簧繞水平和垂直軸調(diào)節(jié)角度。

螺紋孔安裝                             頂絲安裝

矩形元件安裝座(頂絲固定)

13. 偏振片和波片

偏振片的基本參數(shù)包括消光比。便宜的類型是經(jīng)濟(jì)型薄膜偏振片，其消光比zui少100，在大部分可見光波段大于1000，能夠滿足很多應(yīng)用需求。雙折射晶體偏振器件提供zui高的消光比。圓形偏振片使用卡環(huán)安裝，但是高應(yīng)力會降低性能(波片受應(yīng)力影響更大)，所以可以用消應(yīng)力卡環(huán)安裝。這種卡環(huán)一面是橡膠圈，安裝時只要稍微壓緊，足夠防止偏振片移動即可。

波片一般為四分之一波片或半波片。四分之一波片用于轉(zhuǎn)換線偏振和圓偏振，半波片用于改變偏振方向。半波片加偏振片的組合還能調(diào)節(jié)偏振光的功率。

四分之一波片轉(zhuǎn)換線偏振和圓偏振         半波片改變偏振方向

偏振片和波片都要安裝在旋轉(zhuǎn)安裝座中，安裝座則通過固定螺絲擰在接桿上，在接桿的通孔中插一把螺絲刀更好擰緊。另外，使用可調(diào)零度的旋轉(zhuǎn)座可能更方便，這樣更容易利用刻度盤調(diào)節(jié)偏振片的透射軸或波片的快軸。

典型的波片或偏振片的組裝配置

14. 分束鏡

分束鏡通常把一束光分成垂直的兩束，比如用于干涉實(shí)驗或探測激光功率。常用的兩種分束鏡是平板和立方體型，而且都有偏振和非偏振版本。對于偏振分束鏡，透射光為高純水平偏振光，反射光主要是垂直偏振光，但也包含一些水平偏振光。

偏振分束立方體示意圖
透射平行偏振P光，反射垂直偏振S光

圓形平板分束鏡外側(cè)刻有表示光束傳播方向的箭頭(指向增透膜)，而立方體分束鏡頂部也刻有相應(yīng)的箭頭示意圖。立方體可通過壓臂將安裝在調(diào)整架中時，首先松開壓臂，使尼龍頂絲剛好接觸立方體，然后擰緊壓臂。再輕輕擰緊尼龍頂絲半圈左右。下面是四種安裝示例。

15. 濾光片

多層介質(zhì)膜濾光片按透射帶可分為帶通、邊通(長波通和短波通)、以及陷波(帶阻)濾光片。硬膜帶通濾光片相比軟膜版本提供更高的透過率，而且更耐用、使用壽命更長。這種濾光片安裝在圓形外殼中，上面刻有產(chǎn)品型號(包含中心波長和通帶信息)和表示光傳播方向的箭頭，可以安裝在固定或翻轉(zhuǎn)安裝座中。

優(yōu)質(zhì)硬膜帶通濾光片                  翻轉(zhuǎn)安裝座組裝

中性密度(ND)濾光片可以在很寬波長范圍內(nèi)提供多個數(shù)量級的功率調(diào)節(jié)，而且多個能疊加使用。功率衰減使用光學(xué)密度(OD)表示，其中T為透過率，即輸出功率和輸入功率的比值：

ND濾光片通過反射或吸收降低功率，多數(shù)情況選吸收型。反射型可能更難使用，因為反射表面沒有保護(hù)膜，如果接觸容易產(chǎn)生刮痕，不過反射型ND濾光片具有更平坦的光譜響應(yīng)并且紫外范圍更深。

ND濾光片有圓形或方形、已安裝或未安裝、可調(diào)和固定光學(xué)密度等分類，因此它們的安裝選項也很豐富，包括固定安裝座和轉(zhuǎn)輪。

圓形可調(diào)OD                      轉(zhuǎn)輪                        長條形可調(diào)OD

16. 光闌和針孔

光闌就是通光小孔，而可調(diào)光闌通過組合葉片調(diào)節(jié)孔徑，特別適合用于對準(zhǔn)光路或者阻擋光軸外圍的反射和散射。可調(diào)光闌可通過底部的固定螺絲安裝在接桿上，或者通過外圍的螺紋擰入其它圓形安裝座中。精密針孔是在金屬箔上使用激光鉆的孔，廣泛用于共聚焦成像和空間濾波等應(yīng)用。

安裝在接桿上的光闌                安裝在XY調(diào)整架上的光闌        以精密XY調(diào)整架安裝針孔

以雙光闌作為參考調(diào)節(jié)光路

17. 透鏡

平凸透鏡可能是實(shí)驗室常用的透鏡，可將準(zhǔn)直光束聚焦到一個點(diǎn)上，或者反過來把點(diǎn)光源變成準(zhǔn)直光束。為了減小球差，準(zhǔn)直光束應(yīng)正對透鏡的凸面，聚焦光束正對平面。雙凸透鏡一般適合成像應(yīng)用。平凹透鏡能將準(zhǔn)直光束變成發(fā)散光束。一個凹透鏡加一個凸透鏡可組成伽利略式擴(kuò)束器。兩個平凸透鏡可組成開普勒擴(kuò)束器。伽利略擴(kuò)束器不經(jīng)過聚焦，長度更短。開普勒擴(kuò)束器由于焦距不適合高功率激光，不過可以在焦點(diǎn)處進(jìn)行空間濾波提高光束質(zhì)量，而且有更多焦距因此擴(kuò)束比可選。

透鏡重要的參數(shù)是焦距和波長范圍，后者取決于材料(比如紫外用熔融石英)和增透膜。雖然增透膜能明顯減小透鏡表面的菲涅爾反射，但波長范圍比未鍍膜透鏡更窄，損傷閾值更低，還會引入一,定的相位變化。

Thorlabs透鏡 不同材料的透過范圍                     Thorlabs增透膜范圍

已安裝透鏡刻有標(biāo)記，方便識別和操作，而且能通過螺紋和其它組件直接擰在一起。不過未安裝透鏡也不難安裝。標(biāo)準(zhǔn)透鏡安裝座一端是凸出的唇邊，用它靠住放進(jìn)去的透鏡，然后用扳手?jǐn)Q入卡環(huán)固定即可。如下面的動態(tài)圖所示，使用兩個卡環(huán)可把透鏡安裝在透鏡套管中。注意不要用鑷子等東西擰卡環(huán)，因為操作不方便還容易刮傷透鏡。

卡環(huán)的擰緊方法

一種均勻準(zhǔn)直光照明裝置

使用自定心安裝座安裝非球面透鏡

多透鏡組合能比單透鏡能校正更多的像差。基本的雙合透鏡使用兩個不同折射率的透鏡補(bǔ)償色差。這些透鏡可膠粘在一起，或者以一定空氣間隙安裝在外殼中。

18. 顯微物鏡

顯微物鏡在外殼內(nèi)封裝了多個透鏡，用于減少各種像差。物件端部有螺紋，而且螺紋有不同的標(biāo)準(zhǔn)，所以使用時要注意匹配。不匹配問題可通過螺紋轉(zhuǎn)接件解決。

物件不僅可以用在顯微鏡中，比如通過固定式支架安裝單個物鏡，通過轉(zhuǎn)臺切換不同倍率的物鏡，或者通過滑動機(jī)制切換兩個物鏡；可以直接擰入固定或可調(diào)安裝座中；還可以通過精密位移臺安裝，用于光纖耦合或針孔濾波等應(yīng)用；

基于精密三軸位移體的光纖耦合系統(tǒng)

下面介紹物鏡的一些重要規(guī)格。

一種干物鏡設(shè)計示例

放大率不僅刻在物鏡外殼上，還能通過顏色辨認(rèn)。NA表示系統(tǒng)的光收集能力，NA越高，收集光的能力越強(qiáng)。zui高放大率不一定能提供好的圖像，因為放大率和視場成反比。視場越小，收集的光子經(jīng)常越少，導(dǎo)致比較暗的圖像。

焦深是z軸的聚焦范圍，相當(dāng)于同時聚焦的樣品厚度。放大率越大，焦深通常越小。這樣的好處是能排除焦平面之外的樣品，但不好之處是在三維成像中所見有限。

很多物鏡上面刻了一個∞符號，說明這是wu窮遠(yuǎn)校正物鏡，能夠把來自焦點(diǎn)的光變成準(zhǔn)直光。wu窮遠(yuǎn)校正物鏡在后端可以接套筒透鏡(有效放大率為套筒透鏡焦距與物鏡焦距之比)，或者套筒透鏡加掃描透鏡。

寬場和激光掃描

成像裝置圖

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