利用激光散斑寻找光束焦点的方法

原创Insights Thorlabs索雷博

如果透镜处于套筒或安装座中，我们可能无法知道它的确切位置，因此也难以准确地估计光束焦点的位置。为了判断焦点和透镜安装座的相对距离，有一种方法是使用激光散斑，其原理和步骤请看下面图文。

寻找光束焦点的两种方法

对于安装在套筒或安装座中的透镜，确定其焦点位置的一种方法是让准直光束通过透镜后聚焦到观察屏上。但由于光束直径在一定范围内看起来是恒定的，因此这个方法难以找到准确的焦点位置。

另一种方法是利用散射片(一面磨砂一面抛光)。在光路中插入散射片后，观察屏上将出现激光散斑图案。亮斑来自相长干涉，暗斑来自相消干涉。光束尺寸越小，处于光束中的散射点越少，由于更少的散射波，屏上出现更大的散斑。光束尺寸越大，处于光束中的散射点越多，由于更多的散射波，屏上出现更小的散斑。

小光束，大散斑                        大光束，小散斑

为了安装散射片，我们在其抛光面上粘一个卡环，然后拧入SM1T1透镜套筒耦合件并用SM1RC滑环固定。这种DIY安装方式可确保磨砂面和滑环端面平齐，方便后续测量焦点的相对位置。

将散射片放进光路后(磨砂面正对光束)，通过导轨使其从透镜的近点开始移动时，散斑图案和散斑大小都将不断变化。当屏上出现 zui da 的散斑时，磨砂面与透镜焦平面重合。为了测量透镜焦点的相对位置，我们以磨砂面(即滑环前端面)和透镜安装座外螺纹底部作为两个参考面。

散斑 zui da 时，散射表面和焦点重合

相对距离1 = 69.5 mm                          相对距离2 = 142.5 mm

开普勒扩束器

使用上面两个已安装平凸透镜可组装一个扩束器，两焦距f2和f1的比值决定扩束或缩束的倍率。由于这里两个透镜的焦距分别是75和150 mm，注意和上面测量的相对距离略有不同，因此可组装一个2x扩束器。

由于两个透镜的焦点需要重合，而每个透镜焦点的相对位置是已知的，因此只要在两个已安装透镜之间插入相应长度的透镜套筒。我们用一个长套筒、一个短套筒和一个可调套筒组装成总长212 mm的套筒，在两端拧上两个已安装透镜后就完成了扩束器的组装。

扩束器组装完毕

扩束和准直检验

扩束前后的光束直径分别约为3 mm和6 mm，说明达到扩束要求。准直度则使用剪切干涉仪检查。由于zui chu 的干涉条纹和准直参考线不*平行，因此我们通过可调套筒微调两透镜的间距实现 zui jia 准直度。

为了更近距离地演示剪切干涉仪的用法，我们看Thorlabs消色差变焦扩束器的性能。从下面的动态图可以看出，这种扩束器可在一定倍率范围内连续改变准直光束的直径，而且干涉条纹一直和参考线保持平行，说明输出光束也一直保持准直。

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