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認識光學實驗中的常用組件

原創 combo Thorlab 索雷博 2023-03-01 12:01 發表于上海

走進光學實驗室時，各式各樣的光學元件和機械件可能令人有點理不清頭緒。但是，復雜的裝置背后存在一些基本的規則。本文將整理一些常用的光機組件及其組裝方法。

一些光學新聞或技術文章的配圖

1. 光學平臺

光學平臺是搭建光學裝置的基礎。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，內部有用于隔振的蜂窩芯，而整個平臺坐落在進一步隔振的支撐腿或框架上面；框架便于安裝配件。

支撐腿和光學平臺 以框架為支撐組裝光學平臺工作臺

光學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。為了防止滾動，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. 光機械

模塊化的光機械有時被用戶稱為光學樂高。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。由于光學平臺表面的螺孔，光學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平臺上。

下面展示了通過三種接桿支架構造的典型裝置。

圓形底座支架                  旋轉底座支架                    通過底板安裝無底座支架

3. 接桿支架接

桿支架的圓管內可插入接桿。這種組合便于調節光學元件的高度(越低越穩定)，然后使用手擰螺絲固定。請注意，在預調節時可用手指擰，但zui終高度確定后建議用六角扳手擰緊，以此實現更穩定的固定。

4. 接桿

接桿是用于控制光學元件高度的不銹鋼桿(大多數)。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，但這樣的穩定性遠不如單根接桿。

5. 接桿套環

半開口的套環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擰螺絲后，可以在不改變光學元件高度的條件下旋轉接桿，而且在移除組件后還能以相同高度重新插入。這個小機械件多次出現在我們的實驗視頻教程中。

6. 接桿夾具

接桿夾具能穿過兩根接桿，并用兩個手擰螺絲擰緊，使兩者成45度或90度夾角，另外還有360度連續可旋轉版本。這些夾具便于構造三維裝置，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                          旋轉夾具                          客戶應用

7. 燕尾導軌

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

在燕尾導軌上用散斑確定焦點并搭建擴束器             燕尾導軌還可用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定性。

用L形壓塊固定底板                                兩個螺絲加壓塊的構造 壓塊越水平越穩定

9. 翻轉架

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

10. 籠式/立方系統

除了基于光學平臺或導軌的安裝，籠式系統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組件，只要放進籠式網絡中就能保持不錯的同心度?；\式系統方便對準微小的結構，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構造的，利用直角安裝座或立方體支撐還能構造多層次的立體光路系統。

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

三種標準的籠式系統尺寸分別為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；確定位置后可用側面的固定螺絲固定。

基于籠式系統和立方體搭建干涉儀

11. 光學安裝座

不同光學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，有些是可調的，甚至提供精密的平移或旋轉調節，還有些兼容籠式系統。

一般地，圓形光學元件剛好放進安裝座的孔中。對于螺紋孔，使用卡環固定元件，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，實現三點固定，這種方法不適合太薄的元件，而且可能造成更大應力雙折射。

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置光路時可以實現光路平移，并且維持方向。

金屬膜反射鏡在zui寬的光譜范圍內提供高平均反射率，而寬帶介質膜具有較窄的光譜范圍，但是在規定的光譜范圍內提供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膜。

方形和圓形反射鏡

反射鏡一般安裝在光學調整架中。調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，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，通過調節螺絲讓前板靠彈簧繞水平和垂直軸調節角度。

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

偏振片的基本參數包括消光比。便宜的類型是經濟型薄膜偏振片，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安裝，但是高應力會降低性能(波片受應力影響更大)，所以可以用消應力卡環安裝。這種卡環一面是橡膠圈，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節偏振光的功率。

四分之一波片轉換線偏振和圓偏振         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，使用可調零度的旋轉座可能更方便，這樣更容易利用刻度盤調節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的箭頭示意圖。立方體可通過壓臂將安裝在調整架中時，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安裝座中。

優質硬膜帶通濾光片                  翻轉安裝座組裝

中性密度(ND)濾光片可以在很寬波長范圍內提供多個數量級的功率調節，而且多個能疊加使用。功率衰減使用光學密度(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膜，如果接觸容易產生刮痕，不過反射型ND濾光片具有更平坦的光譜響應并且紫外范圍更深。

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

圓形可調OD                      轉輪                        長條形可調OD

16. 光闌和針孔

光闌就是通光小孔，而可調光闌通過組合葉片調節孔徑，特別適合用于對準光路或者阻擋光軸外圍的反射和散射?？烧{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用。

安裝在接桿上的光闌                安裝在XY調整架上的光闌        以精密XY調整架安裝針孔

以雙光闌作為參考調節光路

17. 透鏡

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

透鏡重要的參數是焦距和波長范圍，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。標準透鏡安裝座一端是凸出的唇邊，用它靠住放進去的透鏡，然后用扳手擰入卡環固定即可。如下面的動態圖所示，使用兩個卡環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，因為操作不方便還容易刮傷透鏡。

卡環的擰緊方法

一種均勻準直光照明裝置

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?；镜碾p合透鏡使用兩個不同折射率的透鏡補償色差。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準，所以使用時要注意匹配。不匹配問題可通過螺紋轉接件解決。

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，通過轉臺切換不同倍率的物鏡，或者通過滑動機制切換兩個物鏡；可以直接擰入固定或可調安裝座中；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用；

基于精密三軸位移體的光纖耦合系統

下面介紹物鏡的一些重要規格。

一種干物鏡設計示例

放大率不僅刻在物鏡外殼上，還能通過顏色辨認。NA表示系統的光收集能力，NA越高，收集光的能力越強。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，收集的光子經常越少，導致比較暗的圖像。

焦深是z軸的聚焦范圍，相當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窮遠校正物鏡，能夠把來自焦點的光變成準直光。wu窮遠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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