光学实验中激光束的空间针孔滤波与准直的调节技巧

【摘" "要】" "在光学实验中，通常需要对激光束进行滤波、扩束与准直等处理。然而，文献中并没有这方面的详细教程，刚接触光学实验的学生在处理激光束的空间针孔滤波与准直时，会存在一些问题且耗时过多，从而严重影响了实验的进度和效果。详细介绍了空间针孔滤波和平行光准直的调节技巧，并配有相关实验器材介绍和实验结果，以期能够帮助初学者快速掌握其调节方法。

【关键词】" "光学实验；空间针孔滤波；激光准直

【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

〔中图分类号〕 O436.1" " " " " " " " " "〔文献标识码〕" A

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

0" " 引言

光学是物理学专业的一门重要课程，各高校开设了工程光学、信息光学等专业课，并将现代化教学模式融入到课程教学中［1］。除了光学课堂教学以外，各高校还积极推广了多层次的分类实验教学，以培养学生实验技能和创新能力［2］。由于激光束具有高单色性、高亮度、高方向性和高相干性等优点，经常被作为光学实验的光源系统［3］。然而，激光器发射出的激光束光斑尺寸较小，无法满足均匀照明物体的要求，通常需要对激光束进行扩束与准直等处理。但是，若光学元器件表面上有灰尘、污渍时，由于激光的高相干性特点，使扩束后的光场中存在许多衍射斑纹（即相干噪声），因此看起来很“脏”［3］。为了改善光束质量，使扩束后的激光具有平滑、均匀的强度分布，需要利用针孔滤波器进行空间滤波，即针孔滤波［4-5］。在光学实验过程中，学生经常对空间针孔滤波的调节比较困惑，甚至是无从下手，严重影响了实验教学质量和效果。本文从实验操作员的角度出发，详细介绍了激光束的空间针孔滤波、扩束与准直的调节方法以及操作的有关技巧，希望能够帮助学生快速掌握其调节方法。

1" " "空间针孔滤波器原理

空间针孔滤波器的原理是将激光束通过高数值孔径物镜聚焦后形成微米量级尺寸的光斑，针孔只让零级频率的光场成分无干扰地通过，起着低通滤波器的作用，它能消除扩束过程中产生的高频噪声成分［4-5］，原理如图 1 所示。

针孔滤波器是指在厚度为0.5 mm的铟钢片上利用激光打孔的方法制成直径约为5～30 μm的小孔。由于针孔尺寸比较小，在使用时要特别注意拿取的方法，不能用手指直接触碰铟钢片，以防止针孔受灰尘堵塞或污染而无法使用。针孔使用之前，可以先在显微镜下检查，挑选孔壁圆滑、孔径大小合适的针孔，也可以直接根据滤波后的光斑判断针孔情况，若衍射光斑是圆形且光滑，说明孔壁圆滑。

设未经过聚焦透镜前的高斯光束束腰半径为[w0]，束腰所在位置与聚焦透镜的距离为[s0]，聚焦透镜焦距为[f]，且[s0≫f]，通过高斯光束理论可以计算出聚焦透镜焦平面处的光斑半径[wi] ［6］。

在选择针孔尺寸时，针孔半径[r]应大于（1）式的光斑半径[wi]。主要有3个原因：首先，高斯光束光强从中心到边缘按指数衰减，在[r'=wi]处，光强衰减为中心光强的[1∕e2]，但仍有较强的光强，若针孔选得过小，会使光强损耗过大，滤波调节将会变得异常困难；其次，高斯光束具有一定的发散角，而针孔具有一定厚度，针孔两端的光斑半径大于[ωi]；最后，针孔一般很难做得十分圆滑，光束在针孔边缘的无规则散射会形成新的干扰，使滤波失败。按照实验的经验，针孔半径应为光斑半径的3～5倍，通常选用半径为[10～20 μm]的针孔为最佳［7］。

在滤波时，需要将针孔调至物镜后焦面上的亮斑处，因此针孔和高数值孔径物镜需要安装在一个调整架上，并利用3个互相垂直方向的旋钮来调节针孔与物镜的相对位置。如图 2 所示，轴向调节旋钮可推动物镜使聚焦光斑靠近或远离针孔，而2个横向调节旋钮可以调节针孔的横向位置，使针孔与聚焦光斑中心重合。

2" " "激光束滤波、扩束与准直的详细实验步骤

2.1" "激光器调水平

众多高校批量引进的光学实验教学设备，大多数是采用滑轨式的光学底座，所有的光学器件都是固定在滑轨上，要求调整实验光路时必须满足共轴原则，即保证整个光路的光轴平行于导轨台面且在同一高度上，否则光路偏离导轨台，激光束无法通过后续光学元器件。因此，激光器调水平极为重要。具体步骤：将可变光阑缩成小孔并设置合适的高度（通常设置为支柱的一半高度）放置在导轨上；当小孔固定在激光器的近处时，通过调节激光器的整体高度和方向，保证激光束通过小孔（如图3（a）所示）；再将小孔移至远处固定，通过调节激光器固定平台上的两个旋钮，保证激光也能通过远处的小孔（如图3（b）所示）；反复调节，最终使激光束在近处和远处都能通过小孔，确保激光沿着导轨水平传播。

2.2" "空间针孔滤波器的调节

当激光束调节水平后，可进行激光束的空间针孔滤波操作。将空间针孔滤波器安装在滑轨上，在激光器和滤波器中间可放置一个能量衰减器，用来调节激光器的能量和亮度，以保护实验员的眼睛和满足实验操作的需求。将小孔（高度不变）放置在空间滤波器（注意针孔需先取下，即未滤波）后面，通过调整滤波器的整体高度和方向，保证激光束通过滤波器的高数值孔径物镜后产生一个较大的弥散斑，其中心与小孔重合，再固定滤波器，其原理是激光束通过物镜后主光线方向不变。再将可变光阑换成白屏，确定散斑中心点在白屏上的位置，可用记号笔做好标记，选为参考点，如图4所示。

将针孔放到滤波器上（即开始滤波操作），此时弥散斑消失，会在白屏上出现一个非常微弱的光亮点（此时环境需要相对黑暗，若光亮点并未出现时，可用手指轻轻拨动或转动针孔，直到找到小亮点，如图5（a）所示）；通过调节滤波器针孔架上的两个横向旋钮，将此光亮点调到参考点的位置，再推动滤波器的轴向旋钮将物镜靠近针孔，光亮点会慢慢变亮但位置可能会发生移动，则需要调节针孔架上的两个横向旋钮确保光斑中心在参考点位置；继续推动物镜，反复调节，最终产生一个非常均匀的弥散斑（即光斑中间没有衍射条纹和相干噪声条纹），则完成空间针孔滤波，如图5（b）所示。

2.3" "激光束的准直

滤波完成后，在空间滤波器后面放置小孔光阑，通过调节小孔光阑选取中间合适的均匀圆形光斑（如图6（a）所示）。再将透镜放置光路中，离针孔距离可根据透镜焦距预估，保证光斑通过透镜中央部位，且后面用白屏接收光斑。首先，不要固定透镜位置，而是通过多次尝试调整位置和透镜高度，保证通过透镜后的光斑在白屏上的位置和大小随着白屏的移动而不变，则完成激光束的准直，形成平行光束（如图6（b）所示）。

2.4" "注意事项

在做光学实验时必须注意以下事项：第一，虽然普通的激光器能量小，不会灼烧皮肤，但不能用眼睛直视激光，否则会造成眼睛的损伤；第二，在滑轨的光学平台上，由于所有光学器件必须满足共轴原则，在添加任何光学器件时都需要将光束调节水平，即主光线与导轨平行，否则光束无法通过后续光学元件；第三，任何光学元件都必须牢牢固定，并且调节完成的光路不能轻易触碰，否则一个微小的误碰都会破坏整个光路，光学现象就会完全消失，整个光路则需要重新调节。

3" "结语

本文阐述了针孔滤波器的基本结构和原理，详细介绍了针孔滤波及平行光的准直调节技巧，并配备了相关的教学图片。这是一种快速、高效的调节方法，能够帮助学生在短时间内掌握空间针孔滤波的调节和平行光的准直等操作，从而可以提高光学实验教学质量和效果。

［参考文献］

［1］ 王立明. 运用Matlab技术推进光学教学现代化的探索与实践［J］. 廊坊师范学院学报（自然科学版），2015，15（5）：45-49.

［2］ 候秀芳，陈亮. 大学物理实验分类培养教学体系的构建［J］. 廊坊师范学院学报（自然科学版），2014，14（3）：109-111.

［3］ 吕百达.激光光学［M］．成都：四川大学出版社，1986．

［4］ 邹俭英，李洪宇. 阿贝成像原理与空间滤波实验的改进研究［J］. 大学物理实验， 2018， 31（6）：88-91.

［5］ 鲁长宏，李维晖，张宏，等. 空间滤波实验的改进［J］. 物理实验，2004（12）： 33-35.

［6］ 周炳琨，高以智，陈倜嵘，等. 激光原理（第七版）［M］．北京：国防工业出版社，2014．

［7］ 黄建群，胡再国，汪仕元.空间针孔滤波器的使用技巧［J］.物理实验，2003，23（10）：35-36+38.

责任编辑" "曹秀利

［收稿日期］" "2024-07-20

［基金项目］" "安徽省高等学校省级质量工程（2022xxkc028）

［作者简介］" "徐华锋（1987- ），男，博士，安徽理工大学副教授，研究方向：激光传输与光场调控。