法布里-珀罗标准具和共焦球面扫描干涉仪的调节

冯　璐

(北京理工大学，北京　100081)



法布里-珀罗标准具和共焦球面扫描干涉仪的调节

冯璐

(北京理工大学，北京100081)

摘 要：观察法布里—珀罗标准具和共焦球面扫描干涉仪在共焦前后的多光束干涉图像,根据干涉条纹的变化和干涉仪频谱信号强弱进行精确调焦的方法,提高了实验效率并且得到了较好的实验结果。

关键词：法布里—珀罗标准具；共焦球面扫描干涉仪；调节技巧；多光束干涉图像

大学物理实验中实现多光束干涉的典型仪器是法布里—珀罗(P-F)标准具，它的高分辨率和高测量精度应用于光谱分析，并对光谱线的超精细结构进行研究[1]。它的另一个重要的应用是在其腔内充以光放大介质后成为激光器的一个重要组成部分——谐振腔[2]。

根据法布里—珀罗标准具的原理，研究出了共焦球面扫描干涉仪[3]，它由两块相距为r且半径为r的镀有高反射膜的球面反射镜共焦放置组成共焦谐振腔，当光束腰的位置恰好在腔的中心平面上时，入射的高斯光束与共焦F—P腔相匹配，则进入腔内的光将在两球面之间来回反射。它应用于He-Ne激光束的模式结构的分析，精确测算谱线带宽和相干长度[4]。

实验中由于对法布里—珀罗标准具两平面反射镜间的平行度要求非常高，所以仪器平行度调节比较难。同样，调整共焦球面扫描干涉仪使两球面镜基本共焦也不容易[5]，而一台共焦球面扫描干涉仪实际的调共焦程度决定了它的接收能力。介绍以白织灯、汞灯和激光为光源，调节法布里—珀罗标准具和共焦球面扫描干涉仪多光束干涉图样的技巧。

1塞曼效应实验中的法布里-珀罗标准具

在研究原子内部能级结构时，通过塞曼效应实验我们观察到了汞原子546.1 nm谱线的分裂现象[6]及其偏振状态[7]；由塞曼裂距计算得到了电子的荷质比[8]。法布里—珀罗标准具是实验中最重要的仪器，如图1，而调节法布里—珀罗标准具的两玻璃片严格平行使测量显微镜内呈现出清晰的分裂谱线是实验中的难点和关键[9]。

下面介绍一个快速准确的调整实验系统的方法：

(1)粗调：将一白炽灯放在法布里—泊罗干涉仪之后，如图2所示。

如果两玻璃片没有严格平行，此时从法布里—泊罗干涉仪中心观察会看到不同圆心的许多圆环像，如图3(a)所示。调节干涉仪上的调节旋钮，使错位的圆环像的圆心逐渐靠近，如图3(b)，继续调节使靠近的许多像成为同心圆，如图3(c)，这时在观察视场中就能看一组等倾干涉同心圆。

(2)细调：上下左右移动眼睛进行细调，直到观察者的眼睛移动时干涉圆环保持不变，说明F - P的两玻璃板基本平行。

(3)调节干涉环尽可能锐利：将调整好的F - P放入塞曼效应实验装置中，如图4，打开汞灯看到一组同心干涉园环，微微调节标准具上的旋钮，干涉园环会变的很锐利，如图5(a)，加磁场后一条谱线分裂成九条，分裂谱线的干涉条纹图像如图5(b)[10]。

2激光模式实验中的共焦球面扫描干涉仪

激光模式实验中使用的高分辨率共焦球面扫描干涉仪能将频率差很小的不同纵模及横模展现为频谱图后进行观测和分析[11]。如图6所示，它由相距为r的两块半径为r的球面反射镜共焦放置而成。两块凹面反射镜构成共焦球面扫描干涉仪的无源谐振腔，其中一块反射镜固定不动，另一块固定在压电陶瓷环上，利用电压控制压电陶瓷使腔长发生微小变化，不同波长的模依次扫出[12]。

共焦球面扫描干涉仪与一般平面法布里—泊罗干涉仪相比的优点是:衍射损失小；对反光镜光圈和平行度调整公差要求低；入射光束准直容易，有较大接收角。它与一般平面球面干涉仪相比的优点是:不需要与入射激光束进行模匹配(模简并)，也不需要与入射激光束精确的同轴[2]，共聚焦扫描干涉仪腔体结构如图7所示。

下面介绍快速准确调整实验系统的方法：

打开He-Ne激光器，调整扫描干涉仪高低左右位置，光束正入射孔中心，使激光束通过光阑小孔，从干涉仪中心屏上可观察到有一大一小的两个反射光斑，调节干涉仪前方两旋钮使小光斑回到光阑小孔正上方，当小孔位于大光斑中心时说明入射光束和扫描干涉仪的光轴基本重合。此时示波器上出现频谱图，细调干涉仪上的两个方位旋钮，使谱线信号尽量强，同时微调光电接收器位置，进一步细调入射光和干涉仪的相对方向和位置，使在示波器上看到的谱线信号最强最细(图8)，此时可以进行测量[13]。

3结论

教学实践中总结出法布里—珀罗标准具和共焦球面扫描干涉仪的调节方法易于掌握,学生可以在规定的时间内顺利完成实验,并且提高了实验数据的准确性。

参考文献：

[1]陈世毅.法布里—珀罗标准具的调节[J].杭州师范学院学报,1999,6:105-107.

[2]韦占凯.共焦球面扫描干涉仪[J].分析仪器,1982,7:53-56.

[3]艾宝勤，郭奕玲.法布里—珀罗干涉仪的应用[J].郑州轻工业学院学报,1995,10(1):59-63.

[4]康平，赵绥堂，陈天杰.共焦型球面扫描干涉仪在激光模式分析中的应用[J].激光,1979,8:44-49.

[5]龚育良，张蓉，王晓东.共焦法布里—拍罗干涉仪的干涉条纹及调焦方法[J].光学仪器,1994,16(1):6-11.

[6]刘战存,李江华.塞曼对线光谱在磁场中发生分裂效应的实验研究[J].首都师范大学学报,2002,23(4):35-39.

[7]朱振和.塞曼谱线的偏振特性[J].大学物理,2003,22(9):21-22.

[8]王健,邹红林,韩姝.采用塞曼效应仪测定电子荷质比方法研究[J].计量与测试技术，2005，32(3)：8-11.

[9]朱世冲.塞曼效应实验中应注意的几个问题[J].大学物理实验,2004,17(4)：33-34.

[10] 孙庆龙.数字图像处理在塞曼效应分析中的应用研[D].西安:西安工业大学工程硕士学位论文,2011.

[11] 史庆藩，鲁长宏，郑宁.英汉近代物理实验[M].北京:国防工业出版社,2010.

[12] 张宇,冯璐,张诚,史庆藩.利用共焦球面扫描干涉仪测量压电陶瓷伸长灵敏度[J].大学物理,2011,30(4):49-51.

[13] 王蕴杰.基于Matlab的牛顿环白光干涉实验仿真[J].大学物理实验，2014(4)：70-72.

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

基金项目：北京理工大学实验室研究项目(2014BITSYB)

文章编号：1007-2934(2016)03-0018-03

中图分类号：O 4-34

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.006