空间针孔滤波器的使用技巧

空间针孔滤波器的使用技巧 ()四川大学物理实验中心 四川 成都 610065 摘 要: 介绍了空间针孔滤波器的调节方法, 并给出了部分实验结果Λ 关键词: 空间针孔滤波器; 激光束; 束腰半径 () 中图分类号: 436 文献标识码: 文章编号: 100524642 20031020035202 O A A pp l ica t ion techn ique of spa t ia l p in ho le f ilter f or la ser beam 222 HU A N G J ian qu nHU Za iguo W A N G Sh iyu an (),, , , 610065C en t ra l L abo ra to ry fo r P h y sic s S ich u an U n ive r sityC h en gdu S ich u an A bstra c t: T h e tech n iqu e o f u sin g sp a t ia l p in ho le f ilte r fo r la se r b eam is in t ro du ced, an d th e .exp e r im en t re su lt s a re g iven : ; ; Key word ssp a t ia l p in ho le f ilte rla se r b eam w a ist rad iu s 孔壁光滑、孔径适宜的针孔Ζ根据经针孔滤波后 1 引 言 的光束图像也可间接判断针孔情况, 衍射斑圆 在全息等激光应用领域, 常需要对激光束 而整齐, 说明孔壁圆滑Ζ 作分束、扩束、准直等处理, 任何一个镜面上只 可通过高斯光束理论计算空间滤波光路聚要有少许灰尘、污渍, 都会使激光产生散射Ζ 由 焦透镜焦平面上的光斑半径 Ζ 若未经聚焦透 w i 于激光是强相干光源, 散射光与其它光产生干 镜前的高斯光束束腰半径为 , 束腰所在位置 w 0 涉, 形成干涉图样, 使激光束看起来很“脏”Ζ 解与聚焦透镜距离为 , 聚焦透镜焦距为 , 且 s0 f s0 µ , 则有决这一问题的最好办法是采用空间滤波光路,f ()1 在聚焦透镜的焦平面放上孔径合适的针孔, 让 = ƒ w i f w 0 s0未经散射的零级光通过针孔, 而高频的散射光 对于常用的氦氖激光器, 束腰半径 w 0 约 为 0. 5, 束腰位置在激光器谐振腔内或在谐 则被滤除Ζ 不熟悉空间滤波器的实验者觉得空 mm 振腔反射镜面上, 一般选用焦距约为 1的聚间滤波器调节困难, 下面介绍我们的一点心得Ζ cm 焦透镜, 透镜距激光器一般有几十厘米, 由此计2 针孔的选择 算焦平面上的光斑半径 w i 约为几微米Ζ ( ) 实际选用的针孔半径 应大于按 1式计 目前用于滤波的针孔, 大多是用高功率脉 r 冲激光器聚焦后在薄金属片上打孔而得Ζ 可自 算出的光斑半径 , 这是因为高斯光束光强从w i 中心到边缘作指数衰减, 在 = i 时, 光强衰减己加工并通过控制脉冲能量改变针孔的大小, rw 2 也可从某些光学元件供应商处购买Ζ 针孔使用到其中心处的 1, 仍有相当的强度Ζ若针孔选 ƒe 得过小, 会使损耗加大, 调节困难Ζ其次, 高斯光 之前, 应先在移测显微镜下检查, 挑选孔型圆、 则散射会形成新的干扰, 使滤波失败Ζ以我们的 , 可得到最佳滤波效果Ζ按照 孔调到焦面位置时 () 经验, 针孔半径应为按 1式计算的光斑半径的以上方法操作, 几分钟就可将空间滤波器调好Ζ 3, 5 倍, 我们在实际工作中选用半径为 10, 20的针孔, 取得了很好的效果ΖΛm 3 使用方法 图 1 空间滤波光路 空间滤波光路见图 1Ζ 以激光束的传播方 向作 轴, 针孔滤波器的针孔应安装在能对聚 Z 4 实验结果 焦透镜作 , , 三维相对调节的支架上Ζ 调节 X Y Z 时, 应先将白屏放入光路, 标记光点位置Ζ 然后 表 1 列出了用 3 种焦距的聚焦镜和 2 种孔 将聚焦镜放入光路, 调节其 , 位置, 使扩束 X Y 径的针孔组合所得的实验结果, 图 2 给出了实 后的激光束中心点不变Ζ最后放入针孔, 由于针 验拍得的部分图片Ζ 孔很小, 聚焦镜焦面处的光斑也很小, 若直接将 表 1 实验条件及结果 针孔放入焦面处, 将很难对准Ζ应先将针孔放入 图 1 中虚线位置, 由于此处光斑较大, 很容易在 调节 效果 f ƒmm ƒƒw i Λm rΛm 白屏上找到激光束经针孔后的衍射斑, 调节针 9. 6 3. 9 20 容易 良 孔的 , 位置, 使衍射斑与原标记位置对准, X Y 容易 良 14. 6 6. 0 20 然后将针孔向焦面方向调节Ζ 在针孔的 向调 Z 19. 1 7. 8 20 较易 良 节轴与激光束不是完全平行的情况下, 针孔向 9. 6 3. 9 10 较易良 14. 6 6. 0 10 良 有次极较易 19. 1 7. 8 10 较难 大 图 2 实验拍得的部分图片 () () 表 1 中的 是由 1式计算而得Ζ 所用激 相同条件下加入针孔, 而针孔接近调到聚焦 w i a 光器为北京大学生产的 21200 型氦氖激光 HN 镜焦面时经针孔后的光束照片Λ 在将针孔从图器, 谐振腔长 为 1. 2Ζ 假定为半共焦腔结 1 中的虚线位置向焦面调节的过程中, 先是在 L m 2 构, 由 = ƒ可计算出该激光器的束腰半w 0 ΚL Π 白屏上能看到较弱的小亮斑, 随着针孔向焦面 径 0 为 0. 49Ζ 实验中 0 取 1. 2Ζ逼近, 亮斑增亮增大, 除中心极大外, 还可看到w mm sm 许多次极大衍射环, 进一步向焦面调节可看到 () 图 2 为激光束经焦距为 9. 6的透镜 a mm () 中心亮斑更大更亮, 次极大减弱减少Λ 图 2 c扩束而未经针孔滤波的照片Λ 目视时能看到中 为针孔调到焦面时的光束照片, 照片反映光束 心到边缘都有一些斑纹, 照片只拍出了边缘光 ()() 强在曝光线性区的部分斑纹Λ 图 2 中心强度均匀, 目视时也看 下转 38 页 b 为与图 2 的电场力和磁场力平衡时有 子流过磁场通道而产生电动势, 是将现代技术 = ()vB E 引进物理教学的较好例子, 在教学中进行演示, 2 而 形成的电动势为学生很感兴趣Ζ同时, 这种模拟也可以做为海水 E ()3 = = 离子发电实际可行性的一种探讨, 可以为学生 ΕE bvB b ( ) 式中 为磁场区域的宽度Ζ 由 3式可知, 提高 开启新思路Ζ在本文设计装置中, 资源是取之不 b 电动势的途径为: 提高离子的运动速度; 增大磁 尽的海水; 海水中蕴含大量的离子, 不需要用昂 场强度; 增加磁场区域的宽度Ζ 贵的离子发生器去产生大量的离子; 发电机还 但是, 实际情况不完全如此Ζ因为离子同时 能够将海水进行一定程度的淡化, 为海水淡化 参与两种运动, 如果过分增加磁场区域的宽度, 提供了一种独特的方法Ζ 会带来负面效应, 一是离子还来不及运动到导 在离子分离器倾斜角度为 45?和增加盐水 浓度的情况下, 我们的小型模拟发电机产生的 体板就进入淡水收集器了, 二是电场的边缘效 电 压最高达到 1Ζ 当串联 100的负载电阻 V 8 应增加Ζ如果为了提高离子的运动速度, 而将离 时, 电流可以达到 9, 并且只要有盐水不断 mA 子分离器的管道放置得很陡时, 由于海水受重 地流过离子分离器, 电流会一直持续下去Ζ关于 力的作用, 流动速度很大, 离子向导体板运动过 能量和效率的提高, 还有待做进一步的研究Ζ 程中受到的阻力很大, 很难达到导体板Ζ即使有 周世平、周湛樟两位同学参加了一些研究 一部分离子达到导体板, 也会受到海水的冲击 工作, 在此向他们表示感谢! 而被洗刷掉, 导至电动势降低Ζ因此要根据具体 情 况 进 行 调 解, 在 我 们 的 实 验 中 倾 斜 角 度 为 参考文献: 45?Ζ 1 张三慧. 北京: 清华大学出版 大学物理学 [M . 在普通发电机中, 电动势是由线圈在磁场 社, 1999. 中运动产生的Ζ 为此必须先把初级能源燃烧放 2 克劳斯 J D. 电磁学 [M . 安绍萱译. 北京: 人民 出的热能, 经过锅炉热机等机构变成机械能, 再 邮电出版社, 1979Λ转变为电能Ζ在磁流体发电机中, 利用热能加热 ()2003201207 收稿, 2003203219 收修改稿 等离子体, 使之通过磁场产生电动势得到电能, ()上接 36 页 不到任何斑纹Ζ 用针孔半径大于焦面处光斑半径的针孔, 用本 表 1 还列出了其它条件下的实验结果Ζ 由 文介绍的方法调节, 很容易得到理想的效果Ζ 表 1 可见, 当针孔半径 r 比光斑半径w i 大 2, 5:参考文献 倍时, 都取得了较好的滤波效果, 调节容易, 滤 1 吕百达. 成都: 四川大学出版社, 激光光学 [M . 波后的光束质量好Ζ 当 接近 时, 调节变得r w i 1986. 89, 94Λ 困难, 经仔细调节, 可调到中心亮斑均匀无斑周 炳 琨, 高 以 智, 陈 家 骅, 等. 激 光 原 理 [.M 2 纹, 但边缘仍有很弱的次极大衍射环Ζ 北京: 国防工业出版社, 1984. 321, 329, 357, 359Λ 5 结束语 ()2003201215 收稿, 2003205207 收修改稿 使用针孔滤波器对激光束作滤波时, 应选