法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具和共焦球面掃描干涉儀的調(diào)節(jié)

馮　璐

(北京理工大學(xué)，北京　100081)

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法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具和共焦球面掃描干涉儀的調(diào)節(jié)

馮璐

(北京理工大學(xué)，北京100081)

摘 要：觀察法布里—珀羅標(biāo)準(zhǔn)具和共焦球面掃描干涉儀在共焦前后的多光束干涉圖像,根據(jù)干涉條紋的變化和干涉儀頻譜信號強(qiáng)弱進(jìn)行精確調(diào)焦的方法,提高了實(shí)驗效率并且得到了較好的實(shí)驗結(jié)果。

關(guān)鍵詞：法布里—珀羅標(biāo)準(zhǔn)具；共焦球面掃描干涉儀；調(diào)節(jié)技巧；多光束干涉圖像

大學(xué)物理實(shí)驗中實(shí)現(xiàn)多光束干涉的典型儀器是法布里—珀羅(P-F)標(biāo)準(zhǔn)具，它的高分辨率和高測量精度應(yīng)用于光譜分析，并對光譜線的超精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究[1]。它的另一個重要的應(yīng)用是在其腔內(nèi)充以光放大介質(zhì)后成為激光器的一個重要組成部分——諧振腔[2]。

根據(jù)法布里—珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的原理，研究出了共焦球面掃描干涉儀[3]，它由兩塊相距為r且半徑為r的鍍有高反射膜的球面反射鏡共焦放置組成共焦諧振腔，當(dāng)光束腰的位置恰好在腔的中心平面上時，入射的高斯光束與共焦F—P腔相匹配，則進(jìn)入腔內(nèi)的光將在兩球面之間來回反射。它應(yīng)用于He-Ne激光束的模式結(jié)構(gòu)的分析，精確測算譜線帶寬和相干長度[4]。

實(shí)驗中由于對法布里—珀羅標(biāo)準(zhǔn)具兩平面反射鏡間的平行度要求非常高，所以儀器平行度調(diào)節(jié)比較難。同樣，調(diào)整共焦球面掃描干涉儀使兩球面鏡基本共焦也不容易[5]，而一臺共焦球面掃描干涉儀實(shí)際的調(diào)共焦程度決定了它的接收能力。介紹以白織燈、汞燈和激光為光源，調(diào)節(jié)法布里—珀羅標(biāo)準(zhǔn)具和共焦球面掃描干涉儀多光束干涉圖樣的技巧。

1塞曼效應(yīng)實(shí)驗中的法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具

在研究原子內(nèi)部能級結(jié)構(gòu)時，通過塞曼效應(yīng)實(shí)驗我們觀察到了汞原子546.1 nm譜線的分裂現(xiàn)象[6]及其偏振狀態(tài)[7]；由塞曼裂距計算得到了電子的荷質(zhì)比[8]。法布里—珀羅標(biāo)準(zhǔn)具是實(shí)驗中最重要的儀器，如圖1，而調(diào)節(jié)法布里—珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的兩玻璃片嚴(yán)格平行使測量顯微鏡內(nèi)呈現(xiàn)出清晰的分裂譜線是實(shí)驗中的難點(diǎn)和關(guān)鍵[9]。

下面介紹一個快速準(zhǔn)確的調(diào)整實(shí)驗系統(tǒng)的方法：

(1)粗調(diào)：將一白熾燈放在法布里—泊羅干涉儀之后，如圖2所示。

如果兩玻璃片沒有嚴(yán)格平行，此時從法布里—泊羅干涉儀中心觀察會看到不同圓心的許多圓環(huán)像，如圖3(a)所示。調(diào)節(jié)干涉儀上的調(diào)節(jié)旋鈕，使錯位的圓環(huán)像的圓心逐漸靠近，如圖3(b)，繼續(xù)調(diào)節(jié)使靠近的許多像成為同心圓，如圖3(c)，這時在觀察視場中就能看一組等傾干涉同心圓。

(2)細(xì)調(diào)：上下左右移動眼睛進(jìn)行細(xì)調(diào)，直到觀察者的眼睛移動時干涉圓環(huán)保持不變，說明F - P的兩玻璃板基本平行。

(3)調(diào)節(jié)干涉環(huán)盡可能銳利：將調(diào)整好的F - P放入塞曼效應(yīng)實(shí)驗裝置中，如圖4，打開汞燈看到一組同心干涉園環(huán)，微微調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)具上的旋鈕，干涉園環(huán)會變的很銳利，如圖5(a)，加磁場后一條譜線分裂成九條，分裂譜線的干涉條紋圖像如圖5(b)[10]。

2激光模式實(shí)驗中的共焦球面掃描干涉儀

激光模式實(shí)驗中使用的高分辨率共焦球面掃描干涉儀能將頻率差很小的不同縱模及橫模展現(xiàn)為頻譜圖后進(jìn)行觀測和分析[11]。如圖6所示，它由相距為r的兩塊半徑為r的球面反射鏡共焦放置而成。兩塊凹面反射鏡構(gòu)成共焦球面掃描干涉儀的無源諧振腔，其中一塊反射鏡固定不動，另一塊固定在壓電陶瓷環(huán)上，利用電壓控制壓電陶瓷使腔長發(fā)生微小變化，不同波長的模依次掃出[12]。

共焦球面掃描干涉儀與一般平面法布里—泊羅干涉儀相比的優(yōu)點(diǎn)是:衍射損失?。粚Ψ垂忡R光圈和平行度調(diào)整公差要求低；入射光束準(zhǔn)直容易，有較大接收角。它與一般平面球面干涉儀相比的優(yōu)點(diǎn)是:不需要與入射激光束進(jìn)行模匹配(模簡并)，也不需要與入射激光束精確的同軸[2]，共聚焦掃描干涉儀腔體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

下面介紹快速準(zhǔn)確調(diào)整實(shí)驗系統(tǒng)的方法：

打開He-Ne激光器，調(diào)整掃描干涉儀高低左右位置，光束正入射孔中心，使激光束通過光闌小孔，從干涉儀中心屏上可觀察到有一大一小的兩個反射光斑，調(diào)節(jié)干涉儀前方兩旋鈕使小光斑回到光闌小孔正上方，當(dāng)小孔位于大光斑中心時說明入射光束和掃描干涉儀的光軸基本重合。此時示波器上出現(xiàn)頻譜圖，細(xì)調(diào)干涉儀上的兩個方位旋鈕，使譜線信號盡量強(qiáng)，同時微調(diào)光電接收器位置，進(jìn)一步細(xì)調(diào)入射光和干涉儀的相對方向和位置，使在示波器上看到的譜線信號最強(qiáng)最細(xì)(圖8)，此時可以進(jìn)行測量[13]。

3結(jié)論

教學(xué)實(shí)踐中總結(jié)出法布里—珀羅標(biāo)準(zhǔn)具和共焦球面掃描干涉儀的調(diào)節(jié)方法易于掌握,學(xué)生可以在規(guī)定的時間內(nèi)順利完成實(shí)驗,并且提高了實(shí)驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

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Adjustment of Fabry-Perot Etalon and Con-focal Spherical Sweeping Interferometer

FENG Lu

(Beijing Institute of Technology,Beijing 100081)

Key words：Fabry-Perot etalon；con-focal spherical sweeping interferometer；adjusting technique；multiple-beam interference fringes

Abstract：The multiple-beam interference fringes of Fabry-Perot etalon and con-focal spherical sweeping interferometer in the vicinity of the con-focal point are observed.According to the change rules of the interference patterns and signal strength of interferometer fringes spectrum,the adjusting method of the con-focal point are introduced.The efficiency of the experiment are improved and get better results.

收稿日期：2016-01-05

基金項目：北京理工大學(xué)實(shí)驗室研究項目(2014BITSYB)

文章編號：1007-2934(2016)03-0018-03

中圖分類號：O 4-34

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.006