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(hào)強(qiáng)弱進(jìn)行精確調(diào)焦的方法,提高了實(shí)驗(yàn)效率并且得到了較好的實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(cè)量精度應(yīng)用于光譜分析，并對(duì)光譜線的超精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究[1]。它的另一個(gè)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(gè)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(shí)，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(lái)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(cè)算譜線帶寬和相干長(zhǎng)度[4]。

實(shí)驗(yàn)中由于對(duì)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(tái)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(yàn)中的法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具

在研究原子內(nèi)部能級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)，通過(guò)塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(jì)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(yàn)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(cè)量顯微鏡內(nèi)呈現(xiàn)出清晰的分裂譜線是實(shí)驗(yàn)中的難點(diǎn)和關(guān)鍵[9]。

下面介紹一個(gè)快速準(zhǔn)確的調(diào)整實(shí)驗(yàn)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(méi)有嚴(yán)格平行，此時(shí)從法布里—泊羅干涉儀中心觀察會(huì)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(cuò)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(shí)在觀察視場(chǎng)中就能看一組等傾干涉同心圓。

(2)細(xì)調(diào)：上下左右移動(dòng)眼睛進(jìn)行細(xì)調(diào)，直到觀察者的眼睛移動(dòng)時(shí)干涉圓環(huán)保持不變，說(shuō)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(yàn)裝置中，如圖4，打開(kāi)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(huì)變的很銳利，如圖5(a)，加磁場(chǎng)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(yàn)中的共焦球面掃描干涉儀

激光模式實(shí)驗(yàn)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(cè)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(wú)源諧振腔，其中一塊反射鏡固定不動(dòng)，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(zhǎng)發(fā)生微小變化，不同波長(zhǎng)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?duì)反光鏡光圈和平行度調(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(jiǎn)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(yàn)系統(tǒng)的方法：

打開(kāi)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(guò)光闌小孔，從干涉儀中心屏上可觀察到有一大一小的兩個(gè)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(shí)說(shuō)明入射光束和掃描干涉儀的光軸基本重合。此時(shí)示波器上出現(xiàn)頻譜圖，細(xì)調(diào)干涉儀上的兩個(gè)方位旋鈕，使譜線信號(hào)盡量強(qiáng)，同時(shí)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(duì)方向和位置，使在示波器上看到的譜線信號(hào)最強(qiáng)最細(xì)(圖8)，此時(shí)可以進(jìn)行測(cè)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(shí)間內(nèi)順利完成實(shí)驗(yàn),并且提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳世毅.法布里—珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的調(diào)節(jié)[J].杭州師范學(xué)院學(xué)報(bào),1999,6:105-107.

[2]韋占凱.共焦球面掃描干涉儀[J].分析儀器,1982,7:53-56.

[3]艾寶勤，郭奕玲.法布里—珀羅干涉儀的應(yīng)用[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),1995,10(1):59-63.

[4]康平，趙綏堂，陳天杰.共焦型球面掃描干涉儀在激光模式分析中的應(yīng)用[J].激光,1979,8:44-49.

[5]龔育良，張蓉，王曉東.共焦法布里—拍羅干涉儀的干涉條紋及調(diào)焦方法[J].光學(xué)儀器,1994,16(1):6-11.

[6]劉戰(zhàn)存,李江華.塞曼對(duì)線光譜在磁場(chǎng)中發(fā)生分裂效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].首都師范大學(xué)學(xué)報(bào),2002,23(4):35-39.

[7]朱振和.塞曼譜線的偏振特性[J].大學(xué)物理,2003,22(9):21-22.

[8]王健,鄒紅林,韓姝.采用塞曼效應(yīng)儀測(cè)定電子荷質(zhì)比方法研究[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2005，32(3)：8-11.

[9]朱世沖.塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2004,17(4)：33-34.

[10] 孫慶龍.數(shù)字圖像處理在塞曼效應(yīng)分析中的應(yīng)用研[D].西安:西安工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文,2011.

[11] 史慶藩，魯長(zhǎng)宏，鄭寧.英漢近代物理實(shí)驗(yàn)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2010.

[12] 張宇,馮璐,張誠(chéng),史慶藩.利用共焦球面掃描干涉儀測(cè)量壓電陶瓷伸長(zhǎng)靈敏度[J].大學(xué)物理,2011,30(4):49-51.

[13] 王蘊(yùn)杰.基于Matlab的牛頓環(huán)白光干涉實(shí)驗(yàn)仿真[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，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

基金項(xiàng)目：北京理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究項(xiàng)目(2014BITSYB)

文章編號(hào)：1007-2934(2016)03-0018-03

中圖分類號(hào)：O 4-34

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.006