浅谈激光光路调整的基本原则

庞冬青

笔者将激光光路分为两类：搭建型光路和复现型光路。

搭建型光路

下面将以中空光纤展宽光谱这个实验为例说明何为搭建型光路。

这个搭建过程非常简单明了，光经过一个反射镜后，用两个光阑准直。 然后加入透镜，光线保持不动。 然后去掉第一个光阑，加入中空光纤（光纤放置在充气的容器里）。 该实验的目的是调整中空光纤使得光谱展得最宽，但是不应以光谱展宽为现象调整该光路。 往下推理一步，什么时候光谱展开得最宽呢？ 一定是光纤中轴线与激光光束中轴线完全重合时。 所以，第一个光阑虽然被移除，但是实际上仍然是存在的，只是被中空光纤的入射端口取代而已。 完全重合时，出射光点仍然应该穿过第二个光阑中心。 所以第二个光阑不应去除。 光纤准直的调整转化为最基本的穿过两个光阑的问题，非常简单，很快就能调整完毕。

仔细思考这个实验，还有几个要点需要注意。

1. 这个实验的调整思路是“光纤跟随光线”，所以当实验结果（光谱展宽的程度）变得不好时，不能仅仅靠调整光纤来解决。 因为这意味着光线歪了，而不是光纤歪了。 这时需要返回图中的第一步，重建这个光路。
2. 光纤的夹持需要保证中空光纤棒仍然是一条直线，比如用V型槽方式，这个方式还有一个优点是不引入应力。
3. 如果容器是布儒斯特窗的设计，两个布儒斯特窗口需要是镜面对称的。 如果是平行窗口，会破坏上面的调整原理。
4. 上述调整思路需要经常将光纤整体取下，所以一体式腔体设计更匹配上述调整方案。

从上面的这个实验很清晰地可以看出，其实光路调整的最基本原则是：两点确定一条直线。 深入思考，灵活应用。 从这个例子还能清楚地看出，有时候光路设计方案（包括支架方案）与光路调整方案无法解耦，因此光路调整方案的建立应该与光路设计同步，而不是开始搭建光路之后遇到问题再去思考如何调整。

数学上的两个点，即使间距非常小也可以确定一条直线。 实际光路搭建过程中，人眼的分辨率极限大概是0.1mm。 所以搭建光路时，应该尽量使得两个光阑间距是平台空间允许的最大值。 因为直线长度越长，实际精度越高。

激光光路是搭建型光路还是复现型光路是由操作的底层逻辑决定的。 上述中空光纤的实验，复现的精度要求很高，而重新搭建又非常容易且耗时很短，这样的情况属于搭建型光路。

复现型光路

很多实验中，有些光路很长很复杂，一旦搭建完毕就不会再动了，这些不再调整的部分应该被视为黑箱，此时日常实验涉及到的是如何复现光路。 还有一种情况，光路本身并不复杂，但是搭建精度要求比较高，搭建过程耗时非常长，此时也应该将其设计为黑箱，日常操作也应归为复现型光路。 黑箱复现型光路根据实际情况，可以分为大黑箱情况和小黑箱情况，两者的难易程度差别很大。

大黑箱光路

一个大型光路，将光路合理切割成几个黑箱模块，是非常有利于日常维护的。 对于复现光路来说，黑箱光路越长，复现方法越简单、复现精度越高。

如上图所示，三个光阑可以确定一个光程很长的黑箱。 先调整输入端的两个光阑，这个是粗调光阑，目的是使得光线能从黑箱输出口出来。 一旦输出口有光出来，就可以用输入口的前面一个光阑和输出口的光阑实现黑箱光路的复现。 无论黑箱里的光路多么复杂，假设黑箱内是不动的，此时黑箱里面的光路相当于一条直线。 所以还是两点确定一条直线这个原理在起作用。 在人眼分辨率最高0.1mm的条件下，黑箱里面的光路越长，光路复现的精度反而越高。 所以大黑箱光路反而非常容易复现。谐振腔是典型的大黑箱光路。

不过如果黑箱里面的光路太长，可能会遇到输入端两个粗调光阑的精度不足以让光线从输出端出来的情况。 这时可以在黑箱中设置一两个过渡光阑辅助粗调。 如果黑箱是自己搭建的，或者光路维护者非常熟悉黑箱里面的光路走向，其实大约知道光点的位置就可以完成粗调，不用过渡光阑也是可以的。

小黑箱光路

比较麻烦的反而是光程比较短、但是光路复现精度要求又比较高的小黑箱光路，比如自相关仪或者SPIDER这样的脉冲测量装置。 这时需要突破人眼0.1mm的分辨率极限。 比较便宜的方式是一个光阑+CCD+显示器，或者一个光阑+带圆环十字线的准直屏+成像系统。 合适的位置处放置辅助复现装置，可以使得日常操作变得迅速且简单。

对于大黑箱光路，复现光阑的放置在光路搭建之后。对于小黑箱光路，辅助复现装置的设计和放置位置的确定应该在光路搭建之前，与光路设计同步进行。

蛇足

总之，光路搭建只有两个基本原则： 1、两点确定一条直线。 2、光路是可逆的。

但是笔者希望在这里加一个蛇足： 3、保证横平竖直，严禁不正当倾斜。 如果实验结果不好是因为光路某一条光线设计不合理或者搭建不认真，导致光路不正确地倾斜了，除非完全重新设计和搭建，否则是几乎不可能回溯到光路中某一条出问题的光线上的。

结语

笔者始终认为，搭建光路应该依靠逻辑，而不是经验。这不是因为笔者做光学实验的经验很少，而是因为逻辑的光辉是普照的、恒久远的。 笔者写这篇文章，是因为笔者认为，感觉光路调整有问题时，很多时候是以下两个原因： 1、惑于光影幻像。 2、将光路想复杂了。 这都需要依靠数学物理逻辑来解决光路调整上的问题。