利用激光散斑尋找光束焦點的方法

原創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，因此也難以準確地估計光束焦點的位置。為了判斷焦點和透鏡安裝座的相對距離，有一種方法是使用激光散斑，其原理和步驟請看下面圖文。

尋找光束焦點的兩種方法

對于安裝在套筒或安裝座中的透鏡，確定其焦點位置的一種方法是讓準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看起來是恒定的，因此這個方法難以找到準確的焦點位置。

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越少，由于更少的散射波，屏上出現更大的散斑。光束尺寸越大，處于光束中的散射點越多，由于更多的散射波，屏上出現更小的散斑。

小光束，大散斑                        大光束，小散斑

為了安裝散射片，我們在其拋光面上粘一個卡環，然后擰入SM1T1透鏡套筒耦合件并用SM1RC滑環固定。這種DIY安裝方式可確保磨砂面和滑環端面平齊，方便后續測量焦點的相對位置。

將散射片放進光路后(磨砂面正對光束)，通過導軌使其從透鏡的近點開始移動時，散斑圖案和散斑大小都將不斷變化。當屏上出現 zui da 的散斑時，磨砂面與透鏡焦平面重合。為了測量透鏡焦點的相對位置，我們以磨砂面(即滑環前端面)和透鏡安裝座外螺紋底部作為兩個參考面。

散斑 zui da 時，散射表面和焦點重合

相對距離1 = 69.5 mm                          相對距離2 = 142.5 mm

開普勒擴束器

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

由于兩個透鏡的焦點需要重合，而每個透鏡焦點的相對位置是已知的，因此只要在兩個已安裝透鏡之間插入相應長度的透鏡套筒。我們用一個長套筒、一個短套筒和一個可調套筒組裝成總長212 mm的套筒，在兩端擰上兩個已安裝透鏡后就完成了擴束器的組裝。

擴束器組裝完畢

擴束和準直檢驗

擴束前后的光束直徑分別約為3 mm和6 mm，說明達到擴束要求。準直度則使用剪切干涉儀檢查。由于zui chu 的干涉條紋和準直參考線不*平行，因此我們通過可調套筒微調兩透鏡的間距實現 zui jia 準直度。

為了更近距離地演示剪切干涉儀的用法，我們看Thorlabs消色差變焦擴束器的性能。從下面的動態圖可以看出，這種擴束器可在一定倍率范圍內連續改變準直光束的直徑，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直。

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