认识光学实验中的常用组件

原创 combo Thorlab 索雷博 2023-03-01 12:01 发表于上海

走进光学实验室时，各式各样的光学元件和机械件可能令人有点理不清头绪。但是，复杂的装置背后存在一些基本的规则。本文将整理一些常用的光机组件及其组装方法。

一些光学新闻或技术文章的配图

1. 光学平台

光学平台是搭建光学装置的基础。平台表面通常是一块非常平整的不锈钢板，上面钻满有序的螺纹孔阵列，内部有用于隔振的蜂窝芯，而整个平台坐落在进一步隔振的支撑腿或框架上面；框架便于安装配件。

支撑腿和光学平台 以框架为支撑组装光学平台工作台

光学平台表面的螺纹有公英制之分。公制平台提供间距为25 mm的M6螺孔阵列，可用带帽螺丝将组件固定在平台表面。带帽螺丝顶部有内六角，可插入六角扳手用于拧紧。英制平台使用1/4"-20螺孔阵列。

另一种常用螺丝叫做固定螺丝(setscrew)。它们是一段螺杆，一端有内六角，可用于固定组件，或者对接两个带兼容螺纹孔的组件。Thorlabs提供便利的带帽螺丝和固定螺丝套件：前者包含不同长度的螺丝、螺帽和垫片，后者包含不同长的螺丝和六角扳手。

带帽螺丝                    固定螺丝                  垫片

使用带帽螺丝：加垫片防损伤垫片粗糙平面朝螺丝帽，光亮圆面朝安装面

注意：固定螺丝或者较小的带帽螺丝容易掉落地面。为了防止滚动，可用一个敞口的容器存放。在激光器开启时，不要弯腰去捡掉落的螺丝或其它东西。要么换一个螺丝，要么关闭激光器再捡。弯腰捡东西是激光损伤眼睛的一个常见场景。

如果不太担心振动干扰、需要更低价的方案、装置不太大或者需要移动，可以选择使用面包板。

2. 光机械

模块化的光机械有时被用户称为光学乐高。了解它们的组装方法有利于快速搭建装置。我们从下往上讲。由于光学平台表面的螺孔，光学元件可在不同位置固定。一种常用的方法是使用接杆支架：带圆形法兰底座的支架通过叉式压块和带帽螺丝固定；带旋转底座的支架使用带帽螺丝固定；不带底座的支架可用一块底板固定接杆支架，然后通过底板固定在光学平台上。

下面展示了通过三种接杆支架构造的典型装置。

圆形底座支架                  旋转底座支架                    通过底板安装无底座支架

3. 接杆支架接

杆支架的圆管内可插入接杆。这种组合便于调节光学元件的高度(越低越稳定)，然后使用手拧螺丝固定。请注意，在预调节时可用手指拧，但zui终高度确定后建议用六角扳手拧紧，以此实现更稳定的固定。

4. 接杆

接杆是用于控制光学元件高度的不锈钢杆(大多数)。对于Ø12.7 mm公制接杆，底部有一个M6螺纹孔，顶部有一个M4螺纹孔和一个固定螺丝。有些接杆上还有刻度尺。如果需要，可用一个固定螺丝将两根端接杆连成一根长接杆，但这样的稳定性远不如单根接杆。

5. 接杆套环

半开口的套环能靠着接杆支架固定在接杆上，这样在松开接杆支架上的手拧螺丝后，可以在不改变光学元件高度的条件下旋转接杆，而且在移除组件后还能以相同高度重新插入。这个小机械件多次出现在我们的实验视频教程中。

6. 接杆夹具

接杆夹具能穿过两根接杆，并用两个手拧螺丝拧紧，使两者成45度或90度夹角，另外还有360度连续可旋转版本。这些夹具便于构造三维装置，便于沿接杆以不同的高度安装组件，比如下图中用两根垂直的接杆安装探头。

90度夹具                          旋转夹具                          客户应用

7. 燕尾导轨

燕尾导轨可通过沉头孔固定在光学平台上，而接杆支架则通过滑块安装在导轨上，滑动至合适位置后使用手拧螺丝固定。在需要沿一条直线安装很多元件，并且相对距离需要调节的时候，使用燕尾导轨是不错的方法。

在燕尾导轨上用散斑确定焦点并搭建扩束器             燕尾导轨还可用L形平台压块从任意方向安装

8. L形平台压块

如果组件没有螺纹孔或位置不对，使用L形平台压块可以灵活地从不同方向安装。这种压块还能为大型组件提供额外的稳定性。

用L形压块固定底板                                两个螺丝加压块的构造 压块越水平越稳定

9. 翻转架

翻转架便于从光路中插入或取出光学元件，无需重新对准。它们有很多应用。比如在Thorlabs网页中介绍的精细光谱测量应用中，用一个翻转架(下图中3号)能快速设置采样光路，将激光输入FP干涉仪。在测量完毕后翻下即可恢复原始光路。另外还有电动控制版本。

10. 笼式/立方系统

除了基于光学平台或导轨的安装，笼式系统提供另一种方便的装置搭建方法。通过四根不锈钢笼杆很方便移动和对准组件，只要放进笼式网络中就能保持不错的同心度。笼式系统方便对准微小的结构，比如我们的针孔滤波器套件和一种光纤耦合套件就是基于笼式系统构造的，利用直角安装座或立方体支撑还能构造多层次的立体光路系统。

光纤耦合笼式套件                       针孔滤波笼式套件

三种标准的笼式系统尺寸分别为16 mm、30 mm和60 mm，分别兼容Ø1/2英寸、Ø1英寸和Ø2英寸光学元件。有些笼式安装座通过螺纹孔拧入笼杆，所以位置只能随系统整体移动。有些从通孔中插入笼杆，所以位置很好移动；确定位置后可用侧面的固定螺丝固定。

基于笼式系统和立方体搭建干涉仪

11. 光学安装座

不同光学元件需要不同的安装座，而大部分安装座都可安装在接杆上。有些安装座是固定的，有些是可调的，甚至提供精密的平移或旋转调节，还有些兼容笼式系统。

一般地，圆形光学元件刚好放进安装座的孔中。对于螺纹孔，使用卡环固定元件，这种安装方法提供更均匀的夹持力。对于没有螺纹的孔，使用固定螺丝(很多有尼龙头)从外围夹紧元件，实现三点固定，这种方法不适合太薄的元件，而且可能造成更大应力双折射。

12. 反射镜

反射镜是操控光路的基本元件。单个反射镜只能改变光路方向，但使用至少两个反射镜设置光路时可以实现光路平移，并且维持方向。

金属膜反射镜在zui宽的光谱范围内提供高平均反射率，而宽带介质膜具有较窄的光谱范围，但是在规定的光谱范围内提供99%以上的jue对反射率，而且损伤阈值更高。为了防止氧化并减少刮伤，有些金属膜反射镜上有一层透明的保护膜。

方形和圆形反射镜

反射镜一般安装在光学调整架中。调整架包含由弹簧相连的前板和后板，反射镜安装在前板的孔内，后板通过带帽螺丝或固定螺丝固定在接杆上。一个角上以滚珠作为枢轴点，通过调节螺丝让前板靠弹簧绕水平和垂直轴调节角度。

螺纹孔安装                             顶丝安装

矩形元件安装座(顶丝固定)

13. 偏振片和波片

偏振片的基本参数包括消光比。便宜的类型是经济型薄膜偏振片，其消光比zui少100，在大部分可见光波段大于1000，能够满足很多应用需求。双折射晶体偏振器件提供zui高的消光比。圆形偏振片使用卡环安装，但是高应力会降低性能(波片受应力影响更大)，所以可以用消应力卡环安装。这种卡环一面是橡胶圈，安装时只要稍微压紧，足够防止偏振片移动即可。

波片一般为四分之一波片或半波片。四分之一波片用于转换线偏振和圆偏振，半波片用于改变偏振方向。半波片加偏振片的组合还能调节偏振光的功率。

四分之一波片转换线偏振和圆偏振         半波片改变偏振方向

偏振片和波片都要安装在旋转安装座中，安装座则通过固定螺丝拧在接杆上，在接杆的通孔中插一把螺丝刀更好拧紧。另外，使用可调零度的旋转座可能更方便，这样更容易利用刻度盘调节偏振片的透射轴或波片的快轴。

典型的波片或偏振片的组装配置

14. 分束镜

分束镜通常把一束光分成垂直的两束，比如用于干涉实验或探测激光功率。常用的两种分束镜是平板和立方体型，而且都有偏振和非偏振版本。对于偏振分束镜，透射光为高纯水平偏振光，反射光主要是垂直偏振光，但也包含一些水平偏振光。

偏振分束立方体示意图
透射平行偏振P光，反射垂直偏振S光

圆形平板分束镜外侧刻有表示光束传播方向的箭头(指向增透膜)，而立方体分束镜顶部也刻有相应的箭头示意图。立方体可通过压臂将安装在调整架中时，首先松开压臂，使尼龙顶丝刚好接触立方体，然后拧紧压臂。再轻轻拧紧尼龙顶丝半圈左右。下面是四种安装示例。

15. 滤光片

多层介质膜滤光片按透射带可分为带通、边通(长波通和短波通)、以及陷波(带阻)滤光片。硬膜带通滤光片相比软膜版本提供更高的透过率，而且更耐用、使用寿命更长。这种滤光片安装在圆形外壳中，上面刻有产品型号(包含中心波长和通带信息)和表示光传播方向的箭头，可以安装在固定或翻转安装座中。

优质硬膜带通滤光片                  翻转安装座组装

中性密度(ND)滤光片可以在很宽波长范围内提供多个数量级的功率调节，而且多个能叠加使用。功率衰减使用光学密度(OD)表示，其中T为透过率，即输出功率和输入功率的比值：

ND滤光片通过反射或吸收降低功率，多数情况选吸收型。反射型可能更难使用，因为反射表面没有保护膜，如果接触容易产生刮痕，不过反射型ND滤光片具有更平坦的光谱响应并且紫外范围更深。

ND滤光片有圆形或方形、已安装或未安装、可调和固定光学密度等分类，因此它们的安装选项也很丰富，包括固定安装座和转轮。

圆形可调OD                      转轮                        长条形可调OD

16. 光阑和针孔

光阑就是通光小孔，而可调光阑通过组合叶片调节孔径，特别适合用于对准光路或者阻挡光轴外围的反射和散射。可调光阑可通过底部的固定螺丝安装在接杆上，或者通过外围的螺纹拧入其它圆形安装座中。精密针孔是在金属箔上使用激光钻的孔，广泛用于共聚焦成像和空间滤波等应用。

安装在接杆上的光阑                安装在XY调整架上的光阑        以精密XY调整架安装针孔

以双光阑作为参考调节光路

17. 透镜

平凸透镜可能是实验室常用的透镜，可将准直光束聚焦到一个点上，或者反过来把点光源变成准直光束。为了减小球差，准直光束应正对透镜的凸面，聚焦光束正对平面。双凸透镜一般适合成像应用。平凹透镜能将准直光束变成发散光束。一个凹透镜加一个凸透镜可组成伽利略式扩束器。两个平凸透镜可组成开普勒扩束器。伽利略扩束器不经过聚焦，长度更短。开普勒扩束器由于焦距不适合高功率激光，不过可以在焦点处进行空间滤波提高光束质量，而且有更多焦距因此扩束比可选。

透镜重要的参数是焦距和波长范围，后者取决于材料(比如紫外用熔融石英)和增透膜。虽然增透膜能明显减小透镜表面的菲涅尔反射，但波长范围比未镀膜透镜更窄，损伤阈值更低，还会引入一,定的相位变化。

Thorlabs透镜 不同材料的透过范围                     Thorlabs增透膜范围

已安装透镜刻有标记，方便识别和操作，而且能通过螺纹和其它组件直接拧在一起。不过未安装透镜也不难安装。标准透镜安装座一端是凸出的唇边，用它靠住放进去的透镜，然后用扳手拧入卡环固定即可。如下面的动态图所示，使用两个卡环可把透镜安装在透镜套管中。注意不要用镊子等东西拧卡环，因为操作不方便还容易刮伤透镜。

卡环的拧紧方法

一种均匀准直光照明装置

使用自定心安装座安装非球面透镜

多透镜组合能比单透镜能校正更多的像差。基本的双合透镜使用两个不同折射率的透镜补偿色差。这些透镜可胶粘在一起，或者以一定空气间隙安装在外壳中。

18. 显微物镜

显微物镜在外壳内封装了多个透镜，用于减少各种像差。物件端部有螺纹，而且螺纹有不同的标准，所以使用时要注意匹配。不匹配问题可通过螺纹转接件解决。

物件不仅可以用在显微镜中，比如通过固定式支架安装单个物镜，通过转台切换不同倍率的物镜，或者通过滑动机制切换两个物镜；可以直接拧入固定或可调安装座中；还可以通过精密位移台安装，用于光纤耦合或针孔滤波等应用；

基于精密三轴位移体的光纤耦合系统

下面介绍物镜的一些重要规格。

一种干物镜设计示例

放大率不仅刻在物镜外壳上，还能通过颜色辨认。NA表示系统的光收集能力，NA越高，收集光的能力越强。zui高放大率不一定能提供好的图像，因为放大率和视场成反比。视场越小，收集的光子经常越少，导致比较暗的图像。

焦深是z轴的聚焦范围，相当于同时聚焦的样品厚度。放大率越大，焦深通常越小。这样的好处是能排除焦平面之外的样品，但不好之处是在三维成像中所见有限。

很多物镜上面刻了一个∞符号，说明这是wu穷远校正物镜，能够把来自焦点的光变成准直光。wu穷远校正物镜在后端可以接套筒透镜(有效放大率为套筒透镜焦距与物镜焦距之比)，或者套筒透镜加扫描透镜。

宽场和激光扫描

成像装置图

森泉为您的科研事业添砖加瓦：

激光控制：激光电流源、激光器温控器、激光器控制、伺服设备与系统等等

探测器：光电探测器、单光子计数器、单光子探测器、CCD、光谱分析系统等等

定位与加工：纳米定位系统、微纳运动系统、多维位移台、旋转台、微型操作器等等

光源：半导体激光器、固体激光器、单频激光器、单纵模激光器、窄线宽激光器、光通讯波段激光器、CO2激光器、中红外激光器、染料激光器、飞秒超快激光器等等

光机械件：用于光路系统搭建的 gao 品质 无应力光机械件，如光学调整架、镜架、支撑杆、固定底座等等

光学平台：主动隔振平台、气浮隔振台、实验桌、刚性工作台、面包板、隔振、隔磁、隔声综合解决方案等等

光学元件：各类晶体、光纤、偏转镜、反射镜、透射镜、半透半反镜、滤光片、衰减片、玻片等等

染料：激光染料、荧光染料、光致变色染料、光致发光染料、吸收染料等等