利用激光散斑尋找光束焦點(diǎn)的方法

原創(chuàng)Insights Thorlabs索雷博

如果透鏡處于套筒或安裝座中，我們可能無法知道它的確切位置，因此也難以準(zhǔn)確地估計(jì)光束焦點(diǎn)的位置。為了判斷焦點(diǎn)和透鏡安裝座的相對(duì)距離，有一種方法是使用激光散斑，其原理和步驟請(qǐng)看下面圖文。

尋找光束焦點(diǎn)的兩種方法

對(duì)于安裝在套筒或安裝座中的透鏡，確定其焦點(diǎn)位置的一種方法是讓準(zhǔn)直光束通過透鏡后聚焦到觀察屏上。但由于光束直徑在一定范圍內(nèi)看起來是恒定的，因此這個(gè)方法難以找到準(zhǔn)確的焦點(diǎn)位置。

另一種方法是利用散射片(一面磨砂一面拋光)。在光路中插入散射片后，觀察屏上將出現(xiàn)激光散斑圖案。亮斑來自相長干涉，暗斑來自相消干涉。光束尺寸越小，處于光束中的散射點(diǎn)越少，由于更少的散射波，屏上出現(xiàn)更大的散斑。光束尺寸越大，處于光束中的散射點(diǎn)越多，由于更多的散射波，屏上出現(xiàn)更小的散斑。

小光束，大散斑                        大光束，小散斑

為了安裝散射片，我們?cè)谄鋻伖饷嫔险骋粋€(gè)卡環(huán)，然后擰入SM1T1透鏡套筒耦合件并用SM1RC滑環(huán)固定。這種DIY安裝方式可確保磨砂面和滑環(huán)端面平齊，方便后續(xù)測量焦點(diǎn)的相對(duì)位置。

將散射片放進(jìn)光路后(磨砂面正對(duì)光束)，通過導(dǎo)軌使其從透鏡的近點(diǎn)開始移動(dòng)時(shí)，散斑圖案和散斑大小都將不斷變化。當(dāng)屏上出現(xiàn) zui da 的散斑時(shí)，磨砂面與透鏡焦平面重合。為了測量透鏡焦點(diǎn)的相對(duì)位置，我們以磨砂面(即滑環(huán)前端面)和透鏡安裝座外螺紋底部作為兩個(gè)參考面。

散斑 zui da 時(shí)，散射表面和焦點(diǎn)重合

相對(duì)距離1 = 69.5 mm                          相對(duì)距離2 = 142.5 mm

開普勒擴(kuò)束器

使用上面兩個(gè)已安裝平凸透鏡可組裝一個(gè)擴(kuò)束器，兩焦距f2和f1的比值決定擴(kuò)束或縮束的倍率。由于這里兩個(gè)透鏡的焦距分別是75和150 mm，注意和上面測量的相對(duì)距離略有不同，因此可組裝一個(gè)2x擴(kuò)束器。

由于兩個(gè)透鏡的焦點(diǎn)需要重合，而每個(gè)透鏡焦點(diǎn)的相對(duì)位置是已知的，因此只要在兩個(gè)已安裝透鏡之間插入相應(yīng)長度的透鏡套筒。我們用一個(gè)長套筒、一個(gè)短套筒和一個(gè)可調(diào)套筒組裝成總長212 mm的套筒，在兩端擰上兩個(gè)已安裝透鏡后就完成了擴(kuò)束器的組裝。

擴(kuò)束器組裝完畢

擴(kuò)束和準(zhǔn)直檢驗(yàn)

擴(kuò)束前后的光束直徑分別約為3 mm和6 mm，說明達(dá)到擴(kuò)束要求。準(zhǔn)直度則使用剪切干涉儀檢查。由于zui chu 的干涉條紋和準(zhǔn)直參考線不*平行，因此我們通過可調(diào)套筒微調(diào)兩透鏡的間距實(shí)現(xiàn) zui jia 準(zhǔn)直度。

為了更近距離地演示剪切干涉儀的用法，我們看Thorlabs消色差變焦擴(kuò)束器的性能。從下面的動(dòng)態(tài)圖可以看出，這種擴(kuò)束器可在一定倍率范圍內(nèi)連續(xù)改變準(zhǔn)直光束的直徑，而且干涉條紋一直和參考線保持平行，說明輸出光束也一直保持準(zhǔn)直。

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