Thorlabs光子学实验基础操作汇总

1. 使激光传播方向和光学平台平行

1. 将光源固定好后，用一把垂直的尺子放在离光源贴近的地方记下刻度(a cm)，再放到远的地方记下刻度(b cm)，调节光源上下方向将a和b调至一样，垂直方向就调正了。再把尺子贴近且让尺子的边缘对准光源，再把尺子远离，看光源离尺子边缘偏移多少，调节光源左右方向使得光斑贴至尺子边，水平方向就调正了。
2. 如果光源不能动，可以借助两个能转动的反光镜使得光路呈现U型，然后用光阑代替尺子放在第二个反射镜后面来定位。

2. 功率计的参数设置

元件：光线耦合激光光源（中心波长：520 nm）激光光源，光电功率探头，功率计表头。

光电功率探头功能：将光功率转为光电流，转换因子也称光电响应度，和波长相关。

参数1：波长

PS：设置波长后并不是说滤掉了其它光线的光，只测单波长的光，而是还要以那个波长为标准校准。

参数2：功率范围

PS：量程太大会分辨率下降，量程太小会不够测。环境光会增加噪音，可以加个镜筒再归0。

3. 将手动位移台换成电动位移台

将手动旋转的设备换成电机。

4. 安装接杆支架时注意螺丝长度

元件：接杆支架、带帽螺丝、固定螺丝、顶部装有光阑的接杆和一块底板。

选择合适的螺丝，接杆支架可以一插到底，而且可以防止光机械件（此处为顶部装有光阑）不会再旋入螺丝中。

5. 根据应用波长调节自由空间光隔离器

元件：中心波长为532 nm窄带可调光隔离器，520 nm的二类激光器

532 nm窄带可调光隔离器功能：减少520 nm背向反射光透过抵达上游光源，影响光源稳定性，甚至造成损伤，提高光源单向传输效率。

原理：对于正向入射的信号光，通过起偏器后成为线偏振光，法拉弟旋磁介质与外磁场一起使信号光的偏振方向右旋45度，并恰好使低损耗通过与起偏器成45度放置的检偏器。对于反向光，出检偏器的线偏振光经过放置介质时，偏转方向也右旋转45度，从而使反向光的偏振方向与起偏器方向正交，完全阻断了反射光的传输。（摘自：百度百科）

操作：

1. 对齐光路

2. 用两个凸透镜（收束器）缩小了激光器光斑大小（因为激光器光斑半径大于了收束器）

3. 使用隔离器时，为防止其被拿来拿去位置变化，隔离器上的锁环可以锁住位置。

4. 调节隔离器角度时，看隔离器后面的功率计功率为最大值时，说明调正了。

5. 调整滑环内的隔离器主体，将里面的线偏振片与入射偏振光对准，通过功率计，使得光通量最大，锁定。
6. 将隔离器在光路中的方向反转。隔离器上的箭头表示预期的光束传播方向，让箭头指向光源。
7. 调节靠近激光器这端的输出端偏振片，知道看到这个方向的透过率最小，锁定。
8. 再把箭头转回来，调到功率最大。

6. 使线偏振片的轴与平台垂直或平行

元件：一个经过准的激光二极管，一个偏振分束立方，偏振器，安装座，功率探头和表头

P偏振：平行于入射平面偏振

S偏振：垂直于入射平面偏振

分束器立方：Thorlabs的分束器立方分为偏振和非偏振版本。偏振分束器立方会将S和P偏振光分成不同的两个方向，而非偏振分束立方不管光的波长和偏振态，都会以相同的比率将入射光分开。我们的分束立方可以预安装在笼式立方内，可以兼容透镜套管和笼式系统。

入射平面为反射光与入射光形成的平面。

当偏振轴不垂直时，偏振入射光与偏振轴夹角在正反面是不同的，根据马吕斯定律，则正面和反面的透过率是不同的。所以可以不停地调角度，一直到正反面透过光的功率一致。

所以把偏振片取出去再放回来通常是需要用功率计对准的，在偏振片支架上先粗调，再用顶端测微头细调，否则由+-5度的误差。

然后可以用这个调好的偏振片为参考调节其它偏振片。

7. 如何手工切割光纤？

适用于单模光纤和多模光纤

操作：

1. 用剪刀剪下一段所需长度的光纤。

2. 用光纤剥除工具剥下两端缓冲层。

3. 用透明胶固定一头在平台上。

4. 用红宝石刻划刀一气呵成刻划包层横截面，但不要伤害光纤，会听到沙沙的声音。

5. 用一块裸纤夹片压住透明胶带，贴住光纤的前端。

6. 再用一块保住后端。

7. 沿着直轴拉断光纤。

8. 用放大镜对着光线看光纤断口。

9. 如果是一个圆面就可以切割另一端了，否则重来。

10. 将光纤接上光源，另一端对准白板，会看到一个均匀的圆，就说明切得不错。

8. 测量光纤器件的插入损耗

名称：单端/单条线参考法测量插入损耗

操作：

1. 先要测量参考条线的输出光功率。

2. 再将参考条线与器件连接比较输出功率，就可以计算器件的插入损耗。

PS: 不同方法测出来的结果不一样，但他们有时候不会指明所使用的方法。

功率计上的光纤探头应该要大于光纤直径，确保光线被全部接收。

插入损耗一般用单位dBm表示，而不是mW。功率[mW]=10^(功率[dBm]/10)，这样可以确保总插入损耗计算具有加和性而不是相乘。

功率计上的Dealt键可以在打开光源时，按下，显示为0，关开电源，看是不是还是0，以确保光源稳定性。

9. 用1/4将线偏光变圆偏光

波片的快轴折射率与慢轴不同，线偏振光平行于快轴时，将输出偏振方向与快轴相同的线偏振光，但相位延迟，延迟量与快轴折射率和波片厚度成正比。线偏振光平行于慢轴时，也一样输出偏振方向与慢轴相同的线偏振光，只是对应受影响的折射率为慢轴折射率。

延迟相位$Γ=\frac{2π(n_s-n_f)t}{λ}$

线偏振光与1/4波片成为45度时，则垂直波与水平波相差1/4个相位，则输出圆偏振光。

如果找到波片的轴？

1. 先将光路调整为光源1-偏振片1-偏振片2-功率计

2. 将偏振片1与偏振片2垂直，使得功率计为最小。

3. 将波片插入1与2之间后，功率计产生较大示数，转动到某一个刻度后，功率计为最小，为其中某一个轴，转90度为另一个轴。记录两个角度。

如何合成圆偏振光？

1. 以上述记录角度为基准，旋转45度，此时功率计也会显示最大功率。

圆偏振度检测：

1. 旋转偏振片2，并记录不同角度功率。

2. 如果是纯的圆偏振光，输出功率不变。（实际上有很多原因影响）

10. 使线偏振片与入射平面成45度角

操作：

1. 先按6中的操作使得平台与透射轴对齐。

2. 锁住位置，再调节后面的偏振片调节与上一个偏振片正交。

3. 再在中间插入一个偏振片，当与两个偏振片呈45度时，功率最大（马吕斯定理）。

   设中间偏振片与第一个偏振片的夹角为θ

$$I=I_1cos^2θcos^2(π/2-θ)\\ I=I_1cos^2θsin^2θ\\ 2cosθsinθ=sin2θ\\ I=I_1sin^22θ/4$$

所以θ=π/4时值最大。

11. 光纤准直器用于单模光纤的对准和耦合

将点光源放在凸透镜后焦面，凸透镜可以将点光转化为平行光。

实验室常为非平行光，经过透镜后大概是一个喇叭状。

输出光束直径为准直器输出的最小光束宽度。

瑞丽范围：从光束的束腰到扩大41%的距离。

操作：

1. 将光纤头弄干净。
2. 用功率计把光纤头对直。
3. 一边调光源侧光纤的补偿，一边调检测器光纤补偿，先调垂直方向，再调水平方向，直到出现最大值。

12. 安装TO封装的激光二极管

激光器对ESD(Electrostatic Discharge)非常敏感。人身上累计了电荷，然后接触到金属，很可能受到电击。如果碰到激光二级管，可能会破坏它。

ESD护腕：一个护腕，内侧有金属片，接了仪器的地线。保证金属接触皮肤

操作：

1. 按引脚标签插好激光器，用法兰锁定位置。

2. 确认激光二极管的极性：二极管阳极接地，所以LD开关切换到AG，PG是阴极接地，切到CG。

3. 激光驱动器也弄成AG与CG。

4. 设置驱动器的最大电流。

5. 连接温度控制器，将温度设定在工作温度，此处25度，比室温高一点，减小驱动器受环境的波动。

6. 戴好护目镜，将功率计探头靠近激光器。

7. 慢慢加电流，看功率达到最大限制功率的时候，记录驱动电流值。

8. 将驱动电流值设定为最大调控值。

13. 安装蝶形封装的激光二极管

与12的区分，因为引脚和底座接触面是隔开的，可以用散热膏涂在底座面上。

参数设置主要也是根据Steinhart-Hart系数，热敏电阻温度等，与驱动器保持一致。

14. 如何区分波片的快慢轴

可以用一些仪器测折射率，也可以用一个使用方向明确的延迟器。

这里用的方法是参考文献：Opt. Eng. 44, 3316-3318(2002).的方法

须知：反射和透射的菲涅尔公式

圆偏振光方向定义：方法1：视角正对光束，朝着光源看。方向2：沿光束的传播方向观看。顺时针绕轴转动为右手圆偏振，此时慢轴水平，快轴垂直。反之亦然。

操作：

1. 搭建光路，激光器45度入射反射镜，135度反射光进入功率计。

2. 激光器入射无保护层的金膜反射镜（只要能反射产生相位差即可，无保护层更简单计算）。

3. 将一个偏振方向为45度的偏振片放在功率计与反射镜之间。（45度的调节方法参考第10节）

4. 在激光器与反射镜之间加入待测波片。（参考第9节的方法已经找到了两个轴的角度）

5. 在待测波片与激光器前再放一个偏振方向为45度的偏振片。

6. 根据菲涅尔公式计算反射率，计算结果取决于光从哪一轴通过。

7. 快轴和慢轴方向各能得到一个不同的反射率曲线。

8. 测测两个轴的功率，也就知道了总功率，然后把结果拟合在两条理论曲线上就得到了对应轴。

   参考知乎：https://zhuanlan.zhihu.com/p/396331166

   

   

15. 测量偏振光的斯托克斯参量

斯托克斯偏振参数：1x4的矩阵，4个参数S0，S1，S2，S3中：

S0:总功率或强度，可以归一化为1

S1:水平偏振光强与垂直偏振光强之差，-1到1之间。1就代表完全水平。

S2:45度与-45度偏振方向光强之差，-1到1之间，1就表示为45度。

S3:右圆偏振光强与左圆偏振光强之差。-1到1之间，1是完全右圆，0是线偏，二者之间为椭圆。

所有的光都可以以椭圆偏振光的形式描述，斯托克斯参量关系，如图：

可以直接用线偏振片测不同角度的透过光强来计算，测S3的时候要在前面加一个快轴水平的1/4波片。

$$S_0=P_1(0^o)+P_2(90^o)\\ S_1=P_1(0^o)-P_2(90^o)\\ S_2=2P_3(45^o)-S_0\\ S_3=S_0-2P_4(0^o,45^o)$$

经典法缺点：只测量了一次，且光学元器件在测量时要取进取出，带来很多误差。

旋转1/4波片法：直接用测S3的光路，线偏振片偏振方向改为水平方向，将前面的1/4波片旋转180度取8个点以上测试。

缺点：波片与波长不匹配时，角度旋转不准时会出现误差。

补充知识：

在庞加莱球中，偏振度定义为$P=\frac{\sqrt{S_{1}^{2}+S_{2}^{2}+S_{3}^{2}}}{S_{0}}$，其意义为判断光波偏振的程度，即是否为完全偏振光。一般情况下，$1\geqslant P\geqslant 0$。当P=0时，光波为完全非偏振光，也就是自然光；当$1> P> 0$时，光波为部分偏振光；当$P=1$时，光波为完全偏振光。

偏振知识：https://www.cnblogs.com/studyhao1999/p/15636798.html

16. Visual Studio®项目设置和C#编程 - Kinesis® BBD300系列控制器

https://www.bilibili.com/video/BV1W34y1X7ot?spm_id_from=333.999.0.0

此Kinesis®软件教程演示的是如何使用C#和.NET Framework新建Visual Studio®项目并初始化连接的设备，此处用于示例的是连接了两轴位移台的BBD300系列运动控制器。

（没有软件和相关设备，这一章没仔细学习）

主要如下：

00:43 - 新建Visual Studio项目

01:56 - 在项目中加入Kinesis®动态链路库

02:47 - 检查截至目前的生成操作

03:32 - 加入基于C语言的依赖文件

04:27 - 加载并关联可用控制器

05:39 - 确认并筛选连接的设备

07:27 - 检查截至目前的生成操作

07:44 - 初始化控制器机箱

09:45 - 初始化一个控制器通道

12:21 - 获取位置和状态信息

13:01 - 启用位移台

13:23 - 创建位移台归位方法示例

16:14 - 创建位移台运动方法示例

18:22 - 调节速度和加速设置

19:15 - 设置运动和断开序列

20:33 - 测试代码

17. Visual Studio®项目设置和C#编程 - Kinesis® BBD300系列控制器

https://www.bilibili.com/video/BV1b34y197dT?spm_id_from=333.999.0.0

此Kinesis®软件教程演示的是对BBD300系列运动控制器进行编程，使其以步进式双向光栅扫描模式移动所连接的双轴位移台。此编程使用C#、.NET Framework和Visual Studio®开发环境。

（没有软件和相关设备，这一章没仔细学习）

主要如下：

00:24 - 光栅扫描概述和实现方法

02:56 - 项目设置简介（库、导入）

03:50 - 生成设备列表

05:41 - 初始化控制器机箱

07:12 - 初始化、关联并启用两个通道

10:10 - 封装移动和归位方法

10:59 - 封装点动方法

11:38 - 完善三种移动方法

14:10 - 回到程序主体

18:10 - 确定扫描方向

19:44 - 编写双向光栅扫描模式

24:11 - 测试代码并调试

25:05 - 成功执行代码

18. 用离轴抛物面反射镜准直发散光

操作：

1. 将转接件安装在反射镜上

2. 安装和粗略地对准反射镜

3. 将反射镜和光源设在相同高度

4. 初步对准反射镜和光源的位置和方向

5. 反复细调反射镜和光源的位置和方向，理想位置反射出来的光斑是一个圆，要不断地去逼近

6. 光束质量问题和解决方法、像第1节调尺子那样用一个挡光板去调垂直，水平偏移量等。

7. 光源和反光镜只能调一个，不然永远调不准了。

19. Visual Studio®和C#编程：相机设置和图像采集

https://www.bilibili.com/video/BV1Zr4y1h7RV?spm_id_from=333.999.0.0

将科研相机集成在光学装置中时，通过触发自动采集和存储图像能为应用提供便利。通过Thorlabs科研级相机提供的软件开发套件(SDK)可实现上述过程。上述视频演示了利用ThorCam SDK在Visual Studio®环境下写C#程序，用于控制成像装置中的科研相机并采集图像。

（没有软件和相关设备，这一章没仔细学习）

00:00 - 简要介绍

00:35 - LED控制器设置和连接

02:30 - 项目设置简述（添加数据库并导入）

03:58 - 查找可用的相机

05:39 - 打开选定的相机

06:03 - 设置相机参数

07:59 - 设置图像张数

09:44 - 接收和保存获取到的图像

11:29 - 清理相机资源

12:03 - 成功执行代码

20. 单模光纤对准耦合之FiberPort调节技巧

将极小的聚焦光斑和同样小的单模光纤模光纤模场直径重合。

操作：

1. 用放大镜确保光纤清洁。

2. 光纤FiberPort头子上有xyz三个轴的螺丝对光的输出方向进行调节，使得光束不再发散且平行于平面传播。

3. 将光纤后面的两个光阑调小进一步调节xyz轴，先调离光纤近的。

4. 将光纤接到平行的第二个FiberPort上来调节。
5. 调好后两端接好光纤。
6. 输出端接功率计，调节3个Z轴螺丝，使得功率计实数最大。（不断探寻最大功率处，究极折磨）

21. KF真空法兰组件的组装方法

操作：

1. 手套用皮筋勒紧，带两层，防止污染和刮伤
2. 在工作台面上垫一层锡箔纸。

3. O圈被压缩在两个法兰之间

4. 注意O圈在不同温度下要保养，还要防止形变。

5. 保存时用锡箔纸包好，防止刮伤。
6. 用纸巾清洁连接处。
7. 拧上螺栓。
8. 如果使用真空润滑油，要考虑是否好清洁，环境条件下是否适用。