光學元件同軸等高的調節和判斷方法

潘寶珠　李博文　藍新惠　陳天昊　湯靖

【摘 要】激光器發出的光經過小孔縮束以后可以看做光線。確定光軸的方法為：首先調節2個小孔同軸等高，其次調節激光器使激光光線穿過間隔一定距離同軸等高的兩個小孔，當透射光線穿過小孔，反射光線返回到另一小孔時，這樣就確定了光軸，且實現了光軸的可視化。對于透鏡，透射光線沿著光軸傳播時，不改變光的傳播方向，反射光線沿原路返回。基于此可以對光學系統中凸透鏡、凹透鏡等光學元件獨立地進行同軸等高調節。該方法大大降低了光學元件同軸等高調節和判斷的難度，可顯著地提高工作效率。

【關鍵詞】光學;實驗;同軸等高調節;激光器

中圖分類號： O4-34 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）10-0097-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.040

Adjustment and Determination Method of Coaxial and Equal Altitude of Optics Elements

PAN Bao-zhu LI Bo-wen LAN Xin-hui CHEN Tian-hao TANG Jing*

（Nantong University，Nantong Jiangsu 226007，China）

【Abstract】The small size beam from a laser which passes through a hole can be seen as light ray.The method to determine the optical axis is that adjusting two holes coaxial and equal altitude firstly.The secondly，the laser is adjusted to make the laser ray pass through two holes，which has some distance apart.When the transmitted ray passes through the hole and the reflected ray returns to the other hole，the optical axis is determined;and visualization of the optical axis is realized.For a lens，when transmitted ray travels along the optical axis，it does not alter the direction;and the reflected ray returns along the original path.Based on this，optical elements such as a convex lens and a concave lens in the optical system can be independently adjusted to coaxial and equal altitude.This method reduces the difficulty of coaxial adjustment and judgment of optical elements greatly，and can significantly improve the work efficiency significantly.

【Key words】Optics;Experiment;Coaxial and equal altitude adjustment;Laser

1 原理

激光器是人類20世紀最偉大的發明之一，被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”。激光器發射的激光是朝一個方向射出的，光束的發散角極小，大約只有0.001弧度。一般光學實驗中光路并不是很長（一般小于5米）或很短（大于0.1米），透鏡的口徑一般大于20毫米，利用小孔進一步縮小激光束直徑后（小孔直徑一般1毫米左右為宜），出射光束完全可以看做是一條光線。當光線在空氣以及透鏡等光學元件中傳播時，滿足直線傳播定律、折射定律和反射定律等。對于透鏡，光線沿著光軸傳播時，不改變光的傳播方向，反射光線沿原路返回。

2 調節過程

通常光學實驗的光學系統搭建在導軌上，光學元件通過光學調整架與滑塊相連，滑塊可在導軌上固定或移動，也可從導軌上拿開。光學調整架指的是各種桿架、支撐桿、鏡架、平移臺以及夾持器等，主要用于解決光學元件的夾持和調整。具體調節過程和判斷方法如下：

（1）調節2個小孔同軸等高

將支撐激光器1與小孔1的滑塊6靠近并緊固在導軌6上，如圖1所示。粗調小孔1或激光器的支撐桿3到適當的高度，讓激光束中心穿過小孔1;將調整好的小孔1連同滑塊一起從導軌上拿掉，輕輕放到一旁待用;將小孔2連同滑塊一起放置到小孔1滑塊相同的位置并緊固，調整小孔2使激光束中心穿過小孔，將調整好的小孔2連同滑塊一起從導軌上拿掉，輕輕放到一旁待用。

（2）調節激光器使激光束水平

將調整好的小孔1和小孔2連帶滑塊一起輕輕放到導軌上，使兩小孔之間間隔適當距離，一般達到導軌長度的80%左右，固定緊支撐小孔的滑塊，如圖1所示。觀察激光束是否過兩小孔，如果不穿過，則通過調節激光器的三點夾持鏡架2上的兩個2個螺絲（實現激光束傾斜和俯仰調節）、精密調節桿架4（實現激光束豎直方向的平移）以及平移臺5（實現激光束水平方向的平移），直到激光束中心均穿過兩小孔為止。激光束水平調整完成以后，激光器不能再調節。

（3）調節透鏡與激光束同軸等高

將透鏡8安裝在調整架上連同滑塊一起放在已調整好的兩小孔中間并緊固在導軌上，如圖2所示。通過調節支撐透鏡精密調節桿架10（實現透鏡豎直方向的平移）以及平移臺11（實現透鏡水平方向的平移），使激光束透射光斑穿過小孔2;觀察激光束經過透鏡表面后的反射光斑的中心，如果不能返回到小孔1，需要繼續調節透鏡的三點夾持鏡架9上的兩個2個螺絲（實現透鏡傾斜和俯仰調節）、精密調節桿架（實現透鏡束垂直方向的平移）以及平移臺（實現透鏡束水平方向的平移），直到激光束經過透鏡的透射光斑中心穿過小孔2以及反射光斑中心落在小孔1上為止。將調整好的透鏡連帶滑塊一起從導軌上拿掉，輕輕放到一旁待用。凹透鏡和凸透鏡調節方法相同。

（4）調節物屏和光屏與激光束同軸等高

調節物屏和光屏與激光束同軸等高指的是將物屏12（成像的目標物）或光屏連同滑塊一起放在兩小孔中間并緊固在導軌上，調節物屏或光屏的高度讓激光束光斑落到物屏或光屏的中間，如圖3所示。用一反射鏡13輕貼到物屏或光屏上，旋轉物屏使激光束光斑經反射鏡返回并穿過小孔，拿掉反射鏡激光束光斑仍在物屏或光屏中間，則完成物屏或光屏的調節，將物屏或光屏連同滑塊一起拿起輕輕放到一旁待用。

棱鏡、反射鏡以及其它的平面類光學元件的同軸等高可參照物屏和光屏的調節和判斷方法;由于棱鏡和反射鏡表面可以直接反光，因此在調節時無需再另加反射鏡。

3 結論

這種基于導軌、滑塊的光學元件同軸等高的調節和判斷方法主要包括（1）調節2個小孔同軸等高，（2）調節激光器使激光束水平，（3）調節透鏡與激光束同軸等高，（4）調節物屏和光屏與激光束同軸等高。該方法成本低、精度高、便于實現，能同時滿足凸透鏡、凹透鏡以及膠合鏡等光學元件獨立調節同軸等高的需求，還可以實現物屏、像屏等其它平面類光學元件同軸等高的調節和判斷，非常適合一般光學實驗和工程技術時采用。

【參考文獻】

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