光学基础技巧爬高架的设计与调试

摘要：在常见的光路结构中，光路往往被限制在一个平面内进行传播，光高（光路的传播方向与光学平台间的距离）一般都是确定的数值。而对于一些较为复杂的光路，出于对空间结构的利用、偏振的变换以及光学元件的限制，设计就不仅仅局限于同一高度的平面，而要变得立体起来，这样就要使用到光高的转换器件——爬高/爬低镜。对于如何安全准确的设计和使用爬高/爬低镜，就是本篇所要为您介绍的内容。

一、爬高架的常见使用

图一爬高架的基本结构

图一就是爬高镜的基本结构（由于光路的可逆性反向即为爬低镜），光路由A处水平入射爬高镜，由B处准直出射，光高由h0提高至h1，而光的传播方向不变。那么，我们需要注意哪些步骤才能得到我们想要的合适光高，且准直传播的光路呢？这里总结为以下两个方面：

1、爬高架的设计

2、爬高镜的调节和校准（含安全规范）

（注意：请注意阅读安全规范部分，统计表明有相当数量的眼睛损伤实验事故是在不规范安装爬高架的过程中发生的，美国因为激光事故导致国家级实验室停顿整改的例子也不少见！）

1、爬高架的设计

如果你打算自己设计一个爬高架，那么你需要考虑的是你的设计能够否简化你的校准步骤，这里给出一个简单的方案以供参考。

如图二所示，反射镜需要与入射角成45度摆放，而实际情况是仅凭手动调整很难摆对正确的角度，因此我们在这里设计一个等腰直角滑块，并将镜片固定在上面，这样只要能够保证滑块的侧边与入射光垂直，我们就能够确定正确的摆放角度。

在爬高架的支撑板上我们可以设计这样一个与光路严格垂直的挡板，此时我们只要保证滑块与挡板贴合，我们的有目的就达到了，此外我们可以沿挡板移动滑块的位置，来确保入射光对应在反射镜正确的位置上，此时我们在支撑板的另一侧用螺钉将滑块固定，支撑板上相应的位置应当开出滑槽，方便调节固定。第二面反射镜可依照同样原理确定位置。

最后，当你的设计完成时，请在爬高镜的顶端放置一个挡光板，这可以大大减小被光路伤到眼睛的风险。

图二爬高架的正确调节姿势

当然，如果你缺乏合适的加工条件帮你完成这些零件的加工，你还可以使用两个镜架和一个支撑板（当然你得确保你的镜架可以稳定的固定在上面）来临时搭建一个爬高架结构。如何在这种条件下安装，我们接下来会详细讲解。

2、爬高架的调节和校准

这里讲到的方法适用于爬高架上下两个反射镜都能够在X和Y两个维度可调的条件下，如图三所示，反射镜固定在可调镜架上，通过两个旋钮来完成调节。注意，在绝大多数条件下，我们使用水平仪，或称为标线仪作为我们校准的参考光源，你在确保爬高架调整完毕后，才能将准直好的光路导入爬高架。

此外，在你调节和导光的整个过程中，强烈建议佩戴相应的防护眼镜，同时在任何情况下不要从爬高镜上方去直接观察光路，当你非得想要这么做时，请确保你能够在第一时医院就诊，并且通知你的导师实验被关门的可能性。其实你完全可以以图三右边的角度来进行你的操作，并全程佩戴防护眼镜。

图三爬高架的正确调节姿势

强调完安全问题后，我们可以开始正题了。如图四，首先我们需要使得水平仪的光正入射到你的爬高架，我们这里分别将水平仪两个方向的光线称为水平光和竖直光，相应的，可调镜架的俯仰方向我们称为竖直方向，与竖直方向垂直的维度我们称为水平方向。

这里需要先粗略固定反射镜的高度，分别调整至适应入射光和出射光的高度位置。接着，我们放一张白纸在爬高镜上方，大致与反射镜平行，此时水平仪发出的一部分竖直光在白纸上形成一条轨迹，还有一部分竖直光通过反射镜向上在白纸的另一面形成另一道轨迹，此时调整反射镜的水平方向，使得两道轨迹重合，反射镜1的水平方向就调节完毕了。

反射镜2的水平方向调节方法基本相似，需要注意的是此时经过两次反射的光线可能较弱，较暗的环境有助于调节方便。

图四爬高架的调节方法

下一步就是对两个反射镜的竖直方向进行校准，这里推荐使用与你实验用光相同光高的点光源，或者将你的实验用光尽量衰减进行调校。

首先，将入射光反射位置粗调至第二面反射镜中心，然后在爬高架出光处远近两个位置各放置一个光阑，光阑高度设定为你所需要的输出光高，这里就是熟悉的准直光路的调节方法了，通过反复几次调整两个反射镜的竖直方向，即可完成。

当然爬高架的使用并不仅限于对光路高度的调节，这里继续向大家介绍爬高架的另一应用：偏振的转换。

二、爬高架的偏振转换应用

图五爬高架的转偏振应用

如图五所示，图中绿色箭头代表光的偏振方向，其中实线代表水平偏振，虚线代表竖直偏振，经过爬高架转换后，原水平偏振方向的光转化为竖直偏振，原竖直偏振方向的光会转化为水平偏振，这样我们就实现了转偏振的作用。

那么在这种情况下，我们设计和调节的办法与之前基本类似，需要注意的是，这里由于存在方向旋转的作用，相应的调整方向也需要旋转，入射光对应的反射镜的水平和竖直调整方向，对应的是出射光的竖直和水平方向。

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