【摘" "要】" "在光學實驗中，通常需要對激光束進行濾波、擴束與準直等處理。然而，文獻中并沒有這方面的詳細教程，剛接觸光學實驗的學生在處理激光束的空間針孔濾波與準直時，會存在一些問題且耗時過多，從而嚴重影響了實驗的進度和效果。詳細介紹了空間針孔濾波和平行光準直的調(diào)節(jié)技巧，并配有相關(guān)實驗器材介紹和實驗結(jié)果，以期能夠幫助初學者快速掌握其調(diào)節(jié)方法。

【關(guān)鍵詞】" "光學實驗；空間針孔濾波；激光準直

【Abstract】" " In optical experiments， it is usually necessary to filter， expand and collimate the laser beam， but literatures did not provide this information. Many students who are new to optical experiments may encounter some problems and spend too much time when dealing with the spatial pinhole filtering and collimation of laser beams， which seriously affects the progress and results of experiments. This paper elaborately introduces the adjustment techniques for spatial pinhole filtering and parallel light collimation， and some relevant experimental equipment， and gives a conclusion， hoping to help beginners quickly master the adjustment methods.

【Key words】" " "optical experiment; spatial pinhole filtering; laser collimation

〔中圖分類號〕 O436.1" " " " " " " " " "〔文獻標識碼〕" A

〔文章編號〕 1674 - 3229（2024）04 - 0126 - 03" " "DOI：10.20218/j.cnki.1674-3229.2024.04.019

0" " 引言

光學是物理學專業(yè)的一門重要課程，各高校開設(shè)了工程光學、信息光學等專業(yè)課，并將現(xiàn)代化教學模式融入到課程教學中［1］。除了光學課堂教學以外，各高校還積極推廣了多層次的分類實驗教學，以培養(yǎng)學生實驗技能和創(chuàng)新能力［2］。由于激光束具有高單色性、高亮度、高方向性和高相干性等優(yōu)點，經(jīng)常被作為光學實驗的光源系統(tǒng)［3］。然而，激光器發(fā)射出的激光束光斑尺寸較小，無法滿足均勻照明物體的要求，通常需要對激光束進行擴束與準直等處理。但是，若光學元器件表面上有灰塵、污漬時，由于激光的高相干性特點，使擴束后的光場中存在許多衍射斑紋（即相干噪聲），因此看起來很“臟”［3］。為了改善光束質(zhì)量，使擴束后的激光具有平滑、均勻的強度分布，需要利用針孔濾波器進行空間濾波，即針孔濾波［4-5］。在光學實驗過程中，學生經(jīng)常對空間針孔濾波的調(diào)節(jié)比較困惑，甚至是無從下手，嚴重影響了實驗教學質(zhì)量和效果。本文從實驗操作員的角度出發(fā)，詳細介紹了激光束的空間針孔濾波、擴束與準直的調(diào)節(jié)方法以及操作的有關(guān)技巧，希望能夠幫助學生快速掌握其調(diào)節(jié)方法。

1" " "空間針孔濾波器原理

空間針孔濾波器的原理是將激光束通過高數(shù)值孔徑物鏡聚焦后形成微米量級尺寸的光斑，針孔只讓零級頻率的光場成分無干擾地通過，起著低通濾波器的作用，它能消除擴束過程中產(chǎn)生的高頻噪聲成分［4-5］，原理如圖 1 所示。

針孔濾波器是指在厚度為0.5 mm的銦鋼片上利用激光打孔的方法制成直徑約為5～30 μm的小孔。由于針孔尺寸比較小，在使用時要特別注意拿取的方法，不能用手指直接觸碰銦鋼片，以防止針孔受灰塵堵塞或污染而無法使用。針孔使用之前，可以先在顯微鏡下檢查，挑選孔壁圓滑、孔徑大小合適的針孔，也可以直接根據(jù)濾波后的光斑判斷針孔情況，若衍射光斑是圓形且光滑，說明孔壁圓滑。

設(shè)未經(jīng)過聚焦透鏡前的高斯光束束腰半徑為[w0]，束腰所在位置與聚焦透鏡的距離為[s0]，聚焦透鏡焦距為[f]，且[s0?f]，通過高斯光束理論可以計算出聚焦透鏡焦平面處的光斑半徑[wi] ［6］。

在選擇針孔尺寸時，針孔半徑[r]應大于（1）式的光斑半徑[wi]。主要有3個原因：首先，高斯光束光強從中心到邊緣按指數(shù)衰減，在[r'=wi]處，光強衰減為中心光強的[1∕e2]，但仍有較強的光強，若針孔選得過小，會使光強損耗過大，濾波調(diào)節(jié)將會變得異常困難；其次，高斯光束具有一定的發(fā)散角，而針孔具有一定厚度，針孔兩端的光斑半徑大于[ωi]；最后，針孔一般很難做得十分圓滑，光束在針孔邊緣的無規(guī)則散射會形成新的干擾，使濾波失敗。按照實驗的經(jīng)驗，針孔半徑應為光斑半徑的3～5倍，通常選用半徑為[10～20 μm]的針孔為最佳［7］。

在濾波時，需要將針孔調(diào)至物鏡后焦面上的亮斑處，因此針孔和高數(shù)值孔徑物鏡需要安裝在一個調(diào)整架上，并利用3個互相垂直方向的旋鈕來調(diào)節(jié)針孔與物鏡的相對位置。如圖 2 所示，軸向調(diào)節(jié)旋鈕可推動物鏡使聚焦光斑靠近或遠離針孔，而2個橫向調(diào)節(jié)旋鈕可以調(diào)節(jié)針孔的橫向位置，使針孔與聚焦光斑中心重合。

2" " "激光束濾波、擴束與準直的詳細實驗步驟

2.1" "激光器調(diào)水平

眾多高校批量引進的光學實驗教學設(shè)備，大多數(shù)是采用滑軌式的光學底座，所有的光學器件都是固定在滑軌上，要求調(diào)整實驗光路時必須滿足共軸原則，即保證整個光路的光軸平行于導軌臺面且在同一高度上，否則光路偏離導軌臺，激光束無法通過后續(xù)光學元器件。因此，激光器調(diào)水平極為重要。具體步驟：將可變光闌縮成小孔并設(shè)置合適的高度（通常設(shè)置為支柱的一半高度）放置在導軌上；當小孔固定在激光器的近處時，通過調(diào)節(jié)激光器的整體高度和方向，保證激光束通過小孔（如圖3（a）所示）；再將小孔移至遠處固定，通過調(diào)節(jié)激光器固定平臺上的兩個旋鈕，保證激光也能通過遠處的小孔（如圖3（b）所示）；反復調(diào)節(jié)，最終使激光束在近處和遠處都能通過小孔，確保激光沿著導軌水平傳播。

2.2" "空間針孔濾波器的調(diào)節(jié)

當激光束調(diào)節(jié)水平后，可進行激光束的空間針孔濾波操作。將空間針孔濾波器安裝在滑軌上，在激光器和濾波器中間可放置一個能量衰減器，用來調(diào)節(jié)激光器的能量和亮度，以保護實驗員的眼睛和滿足實驗操作的需求。將小孔（高度不變）放置在空間濾波器（注意針孔需先取下，即未濾波）后面，通過調(diào)整濾波器的整體高度和方向，保證激光束通過濾波器的高數(shù)值孔徑物鏡后產(chǎn)生一個較大的彌散斑，其中心與小孔重合，再固定濾波器，其原理是激光束通過物鏡后主光線方向不變。再將可變光闌換成白屏，確定散斑中心點在白屏上的位置，可用記號筆做好標記，選為參考點，如圖4所示。

將針孔放到濾波器上（即開始濾波操作），此時彌散斑消失，會在白屏上出現(xiàn)一個非常微弱的光亮點（此時環(huán)境需要相對黑暗，若光亮點并未出現(xiàn)時，可用手指輕輕撥動或轉(zhuǎn)動針孔，直到找到小亮點，如圖5（a）所示）；通過調(diào)節(jié)濾波器針孔架上的兩個橫向旋鈕，將此光亮點調(diào)到參考點的位置，再推動濾波器的軸向旋鈕將物鏡靠近針孔，光亮點會慢慢變亮但位置可能會發(fā)生移動，則需要調(diào)節(jié)針孔架上的兩個橫向旋鈕確保光斑中心在參考點位置；繼續(xù)推動物鏡，反復調(diào)節(jié)，最終產(chǎn)生一個非常均勻的彌散斑（即光斑中間沒有衍射條紋和相干噪聲條紋），則完成空間針孔濾波，如圖5（b）所示。

2.3" "激光束的準直

濾波完成后，在空間濾波器后面放置小孔光闌，通過調(diào)節(jié)小孔光闌選取中間合適的均勻圓形光斑（如圖6（a）所示）。再將透鏡放置光路中，離針孔距離可根據(jù)透鏡焦距預估，保證光斑通過透鏡中央部位，且后面用白屏接收光斑。首先，不要固定透鏡位置，而是通過多次嘗試調(diào)整位置和透鏡高度，保證通過透鏡后的光斑在白屏上的位置和大小隨著白屏的移動而不變，則完成激光束的準直，形成平行光束（如圖6（b）所示）。

2.4" "注意事項

在做光學實驗時必須注意以下事項：第一，雖然普通的激光器能量小，不會灼燒皮膚，但不能用眼睛直視激光，否則會造成眼睛的損傷；第二，在滑軌的光學平臺上，由于所有光學器件必須滿足共軸原則，在添加任何光學器件時都需要將光束調(diào)節(jié)水平，即主光線與導軌平行，否則光束無法通過后續(xù)光學元件；第三，任何光學元件都必須牢牢固定，并且調(diào)節(jié)完成的光路不能輕易觸碰，否則一個微小的誤碰都會破壞整個光路，光學現(xiàn)象就會完全消失，整個光路則需要重新調(diào)節(jié)。

3" "結(jié)語

本文闡述了針孔濾波器的基本結(jié)構(gòu)和原理，詳細介紹了針孔濾波及平行光的準直調(diào)節(jié)技巧，并配備了相關(guān)的教學圖片。這是一種快速、高效的調(diào)節(jié)方法，能夠幫助學生在短時間內(nèi)掌握空間針孔濾波的調(diào)節(jié)和平行光的準直等操作，從而可以提高光學實驗教學質(zhì)量和效果。

［參考文獻］

［1］ 王立明. 運用Matlab技術(shù)推進光學教學現(xiàn)代化的探索與實踐［J］. 廊坊師范學院學報（自然科學版），2015，15（5）：45-49.

［2］ 候秀芳，陳亮. 大學物理實驗分類培養(yǎng)教學體系的構(gòu)建［J］. 廊坊師范學院學報（自然科學版），2014，14（3）：109-111.

［3］ 呂百達.激光光學［M］．成都：四川大學出版社，1986．

［4］ 鄒儉英，李洪宇. 阿貝成像原理與空間濾波實驗的改進研究［J］. 大學物理實驗， 2018， 31（6）：88-91.

［5］ 魯長宏，李維暉，張宏，等. 空間濾波實驗的改進［J］. 物理實驗，2004（12）： 33-35.

［6］ 周炳琨，高以智，陳倜嶸，等. 激光原理（第七版）［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2014．

［7］ 黃建群，胡再國，汪仕元.空間針孔濾波器的使用技巧［J］.物理實驗，2003，23（10）：35-36+38.

責任編輯" "曹秀利

［收稿日期］" "2024-07-20

［基金項目］" "安徽省高等學校省級質(zhì)量工程（2022xxkc028）

［作者簡介］" "徐華鋒（1987- ），男，博士，安徽理工大學副教授，研究方向：激光傳輸與光場調(diào)控。