当前课程知识点：光电仪器设计 > 辅助内容：光学实验基本技能 > A3 针孔滤波和光束的扩束准直 > A3 针孔滤波和光束的扩束准直
大家好
这次课我们来介绍
如何进行针孔滤波
以及如何把激光扩束准直成平行光
这个实验涉及到以下三点
如何让激光通过准直透镜的中心
如何调整针孔相对显微物镜的位置
完成针孔滤波
如何将激光扩束成平行光
在开始实验前
我们先来看看如何选择针孔的尺寸
使它与显微物镜的数值孔径相匹配
针孔滤波是激光实验中常用的手段
为的是滤除由于光学元件瑕疵
激光散斑等因素
导致的光强分布的高频变化
得到一个非常漂亮的光斑
这个是显微镜扩束后的光斑
显然它比较脏
经过针孔滤波就得到了
这样非常漂亮的光斑
那么怎么选择针孔
来和显微镜进行匹配呢
通俗地讲 就是让显微镜
聚焦后的艾里斑通过针孔
当激光光束
没有充满显微镜口径的时候
我们可以按照这个公式
来选择针孔的大小
其中 D是针孔直径
F是显微物镜的焦距
a是入射光束的半径
λ是激光波长
这里需要说明的是
针孔直径的测量有时候是不准确的
因此很多时候是根据经验
选择针孔的名义直径
来进行针孔滤波的
我们来介绍一下针孔滤波
和平行光的调整方法
首先激光经过反射镜
反射出来了一束光
为了调整方便
我们让这束光
尽量和光学平台平行
怎么让光束和光学平台平行
我们之前已经介绍过了
比如说我们用小孔光阑
在前面让这个光束通过小孔光阑
把小孔光阑放远以后
然后我们可以通过调整反射镜的姿态
让它也通过小孔光阑 这样前后调几次
那么光束就和光学平台平行了
现在我们把光束调好以后
我们就可以进行我们的调整了
我们的目标是想让这个光束
经过这个透镜中心
如果要是让它经过透镜中心
拿眼睛看
精度又不够高
那这时候怎么办呢
我们可以在这儿放一个反射镜
然后让这个反射镜
正好把光沿原路返回
也就是说我们可以调整反射镜的姿态
使得光束沿原路返回
这时候也就是说
入射光和反射光是重合的
那这时候我再把透镜放在这儿
那么这时候可以看到
如果要是透镜中心
不在这个光线上
那么这时候入射光
经过透镜的这边
然后它就会聚焦
聚焦到反射镜上 然后从这边再反射回来
这时候在这个透镜上
我们可以看到两个光点
那么我们就可以调整这个透镜的位置
使这两个光点重合 变成一个光点
那么这个光点就是透镜的中心了
这样也就是说这个入射光穿过透镜中心
那么除了透镜调这个以外
还需要调整透镜的姿态
也就是说透镜不要这样来回
就是姿态最好是
前表面和这个光束是垂直的
那么这时候我们可以看到
透镜前表面的反射光在这儿
那么我们需要把这个前表面的反射光
反射回去 然后让它尽量还是在
我们的反射镜上 那么这样的话
透镜上头只有一个光点
并且它的表面反射光
也返回了这个反射镜
这时候透镜的姿态和位置就调好了
我们把透镜锁上
接下来就需要调整显微物镜
也就是进行扩束
那么这个是一个显微物镜的调整架
这是针孔滤波的架子
底下是三个平移台
是z方向的 沿这个方向的
还有沿这个方向 水平方向 还有前后的
三个平移台 这个方向的平移台
主要是调焦
也就是说需要我这个显微镜的聚焦点
正好在透镜的焦点上 这样发出来的光
才能是平行光 这是用来调焦的
那么这个方向和上下主要是用于调整
显微镜和光束的相对位置的
那么好 我们把显微镜装上
这是一个40倍的显微镜
我们把它安装上
这里面还有一点要注意的就是
这是一个针孔架
我们希望这个针孔架
和这个移动台是平行的
这样就能减少一些误差的串扰
这是在装的时候稍微注意一下就可以了
那么装好了以后
我们希望这个光点
正好打到显微镜里面去
这样你看打到显微镜里去
然后出来就是一束光了
那么这个时候
我们先大致把这个光调平行
怎么把它调平行呢
先把它锁上
我们知道如果是平行光
经过反射镜以后
那么再返回来 再经过这个透镜
它就会聚焦 如果以这点为焦点
经过透镜变成平行光
那么返回来聚焦
它还聚焦在这儿
所以如果在这个位置
我们看到了一个特别小的光点
那么这时候也就是说
这个显微镜的焦点
正好在这个透镜的焦点上
那么我们可以这样看
就比如说我把它移近一点
在这儿我可以看到一个光点
这个光点往后走长大了
往前走变小了
往这儿才长大 所以这个时候
显然这个显微镜的焦点位置没有调好
我希望这个焦点的位置
是将来放针孔的位置
所以它还需要再动一动
也就是说这个点应该是在这个位置是最小
那么我大概去动一下显微镜
让它这个点
大概在这个位置上最小
这边长大了
现在这边也长大了 这边也长大了
这差不多了
那么这样的话我再看
这边正好是在中间的话
光点在中间就可以给它锁紧了
接下来是要调整针孔滤波
从这里头看显微镜扩束出来的光
是比较脏的
也就是说周围有这样一圈一圈的
针孔滤波的目的
是把这些圈圈给滤没有
让它变成一个特别漂亮的光斑
那么针孔是跟显微镜的倍数
显微镜的数值孔径
以及我们光束的直径
是需要匹配的
那么我们把针孔放上去
针孔放上以后 实际上在这个地方
首先是看不到光的
因为针孔可能没有放得
正好在这个
显微镜的焦点上 没有放对
可能是看不到光
所以我们需要先大概看一下
它是在什么位置
然后就调这些旋钮
使得它有光出现
那么因为看不到光
那我可能也不知道该怎么调
那么有一个方法 可以用功率计来测
比如说我把功率计放到这儿
然后打开功率计
这时候应该能测到一个
特别特别弱的光
眼睛看不见 但是探测器它能感受到
那么我们可以看着
探测器的示值来进行调
来把这个探测器的示值
尽可能地给它调大
我们看它在一点一点地长大
有时候也可以转一转小孔
那么这时候
我们就估计可能用眼睛也能看见了
我们把它拿走
用眼睛一看确实有一个光点了
那么我们就可以看着这个光点调
下面我们找一个比较大的屏放在这儿
然后来调它 使它最亮而且最干净
它在慢慢慢慢地变亮
然后这周围的圆圈也慢慢慢慢缩小
就变没有了
那么这时候我们看到的就是一个
很漂亮的光斑
这时候针孔滤波就调好了
调好针孔滤波以后
我们再来检验一下
它是不是出来的是平行光
比如说近处是这么大
远处是不是也是这么大 可以这么看
那么检验平行光可以用两种办法
一种就是我们之前说的
拿一个反射镜
如果光束经过这个透镜变成平行光了
那么经过反射镜 平行光它还要
聚焦到针孔的这个位置
也就是说在针孔的位置
应该是一个很小的光点
那么现在针孔在这儿 我们在这儿看
是不是这块是一个很小的光点
你看离开它长大了 往这边离
离到这儿也长大了
所以现在在这儿是很小的光点
而不是在针孔的位置是很小的光点
所以这时候我们还需要再调一下焦距
使得在这个位置光点变得更小
那么有的时候这块看不太清楚
我也可以把这光返回到针孔里面去
然后看这个针孔里头的光点是不是很小
显然这时候它不是很小
那么我们也可以调焦
然后让它尽可能地小 越来越缩小
它在慢慢慢慢缩小
然后我们可以左右晃动晃动这个反射镜
看它针孔的大小
正好和这个光斑的大小
差不多一样大了 基本上调焦就调好了
那么这时候我们也可以再
大概看一下这个光斑
你看远处和近处大概都一样大
而且也漂亮 中间没有一圈一圈的
所以这样
我们就把针孔滤波和光束平行性调好了
我们总结一下在调整过程中的注意事项
一个是要调整这个透镜的中心
经过光束中心
这时候我们可以在这儿放一个反射镜
让它光束沿原路返回 这时候
把透镜放在中间就可以看得比较清楚了
然后在调针孔的时候我们也是先要
粗调一下它的焦距
然后再可以用功率计慢慢测着
看这功率计的示值一点一点增加了
然后再拿眼睛看 一点一点地去调
既调焦 也需要调它的位置
那么这样一直到
把针孔滤波出来的光斑调得很干净
然后把准直透镜后面的光斑调成平行的
也就是近距离是这么大
远距离也是这么大
那么这样
针孔滤波和光束的平行性就调好了
这节课就到这儿 谢谢
-1.1 为什么要学光电仪器设计
-1.2 课程简介
--1.2 课程简介
-1.3 学习方法和课程要求
-2.1 误差基本概念
-2.2 误差表示方法
-2.3 实验设计方法
-2.4 误差分析实例
-2.5 仪器误差分配
-第2章-仪器误差分析与分配-练习题
-3.1 什么是阿贝误差
-3.2 阿贝误差的补偿
-3.3 工程应用中如何补偿阿贝误差
-3.4 光学自适应原则
-第3章-光电仪器设计原则-练习题
-A1 走进光学实验室
-A2 调整光线与导轨平行
-A3 针孔滤波和光束的扩束准直
-A4 干涉实验
--A4 干涉实验
-A5 光纤耦合
--A5 光纤耦合
-4.1 泰曼格林干涉仪与双频干涉仪
-4.2 双频干涉仪的位相测量方法
-4.3 双频激光干涉仪的组成与使用
-4.4 神奇的角锥棱镜和猫眼反射镜
-4.5 平面镜干涉仪
-4.6 几何量测量用干涉仪
-4.7 干涉仪安装
-访谈 双频激光干涉仪开发过程中的点点滴滴
-4.8 菲索面形测量干涉仪
-4.9 面形测量干涉仪新进展
-4.10 菲索干涉仪使用
-第4章-干涉仪-练习题
-5.1 光谱仪分类与指标
-5.2 与能量相关的指标
-5.3 全息光栅色散型光谱仪
-5.4 中阶梯光栅色散型光谱仪
-5.5 傅立叶变换光谱仪
-5.6 傅立叶变换光谱仪的参数计算
-5.7 外差型傅立叶变换光谱仪
-5.8 空间调制傅立叶变换光谱仪
-5.9 原子吸收分光光度计使用
-5.10 紫外分光光度计使用
-访谈 浅谈国产光谱仪的发展
-第5章-光谱仪-练习题
-6.1 显微镜发展历史
-6.2 典型显微图像及其功能
-6.3 显微镜的基本结构
-6.4 显微镜成像原理、放大率及分辨率
-6.5 物镜和目镜、成像像差
-6.6 光源和滤波片、照明方式
-6.7 显微镜的操作方法
-6.8 超高分辨率受激发射耗损（STED）显微镜技术
-6.9 相衬显微成像技术
-访谈 国产显微镜发展历程
-访谈 显微镜最新发展趋势
-第6章-显微镜-练习题
-7.1 飞秒激光频率梳
-7.2 飞秒光梳测距1
-7.3 飞秒光梳测距2
-7.4 飞秒光梳光谱分析
-7.5 激光跟踪仪原理
-访谈 激光跟踪仪的发展和应用
-7.6 激光跟踪仪的功能演示
-第7章-光电仪器新进展-练习题
-8.1 标准器概述与光波波长
-8.2 标尺和度盘
-8.3 莫尔条纹的几何解释
-8.4 莫尔条纹的衍射光学解释
-8.5 光栅读数头
-8.6 光栅尺参数设计和误差
-第8章-标准器-练习题
-9.1 横纵向瞄准
-9.2 读数测微系统
-9.3 光电瞄准
--9.3 光电瞄准
-9.4 纵向定位概述和共焦法
-9.5 其他纵向定位方法
-第9章-横纵向瞄准-练习题
-B1 相机原理与摄影入门
-B2 相机的变焦和对焦技术
-B3 单反相机的基本操作
-B4 复杂场景下的拍摄技巧
-B5 浅谈构图和后期处理
-课程总结
--课程总结
-期末答疑
-考试--期末考试
