第2卷第3期 物理实验 Vol,No。3 1982年9月 PHYSICAL EXPERIMENTS September, 1982 平面扫描千涉仪在激光实验 教学中的应用 王诺雷印生唐令西 (西北大学激光教研) 变是连续可调的,且自由光谱区可以改变,实 引言 现调谐的方法可以采用压电陶瓷电致伸缩元件 多光束干涉及其应用是物理光学、激光和和改变压力等方法。为此,我们将普通:一P 光谱实验教学中的重要内容,以多光束干涉原干涉仪上的可移动的反射镜取下,用环氧胶固 理而设计制作的干涉仪和法布理一珀罗标准具 在圆柱形的压电陶瓷环上(环长2-3cm),环 (简称FP)在光堂、光谱学和长度计量等方的内外表面接有电极,然后安装在一个跨接 囿有广泛的应用。在激光技术中一:扫描干于精制导轨上的支承座上,支承座的后面附 涉仪和FPE被用作为光谱分析器,研究光谱线个压簧螺旋,用于调节镜间的平行度。当线 的精细结构和超精细结构、测量线宽,压荧性电压加其上时,随着压电元件长度的变 光和激光输出线宽和腔内选模等。H前虽已们化,将內光程nd实现调谐 共焦腔扫描干涉仪的产品出售,但一般实验室 却很少具备,此外,平面型F一P干涉仪还有 其本身的特点,所以为满足教学实验和研究工 压电陶瓷扫描的干涉仪和压力扫描干涉仪,用Eφ 于激光的模谱分析和布理渊散射光谱的研 究()。本文通过三个示范性实验,即记录和11!1 显示干涉条纹的图示(爱理函数),用 标定自由光谱区的方法测量微小波长差和腔外 选模实验,介绍了平面F一P扫描干涉仪在激 光教学和实验上的应用。 、实验装置和干涉仪主要参数的选取 (1)装置 M1、M2一转向反射镜,L!、L2-为凹透镳和会案 实验装置如图1所示。F-P扌描干涉透原,1,P2-千游仪片,D一小孔光栏,、P1一光电 仪的特点在于它的光程差AS=2ndco:6的改 波器,XFD一超低颏信号发生器
(2)干涉仪的主要参数 干涉仪镜面的平面度大于λ,反射率 A MMa R亠0.92,精细度常数F*=√R/(1—R) 0.1;对于波长λ=6328A,选取d=60 在正入射时求得自由光谱区8 Hz,光谱分辦率R =*nd/=57×10°,仪器线宽A=λ/R。 =1.1×10-3A。在实验中可根据测量的对象 图2 选取不同的参数值。此外由于镜面平整度的影 函数议输出后的干涉条图示 响以及调整精度的偏差,实际分辨本领要低于 理论值。 6y=2500MHz,在给定的走纸速度下,8在 三:、实验 条纹的图示曲线上约占20.3分度(图2A),每 (1)多光束千涉条纹的显示和记录 分度所对应的顿宽为2500MHz/20,3=120 按图1装置分别取腔长1=21mm,250MH2/分度,由图(2A)测量出两个波长(频 mm的He=激光器为光源,调整光束与干涉率模)之间所占的宽度为5.2分度,所以两相邻 仪共轴,并细调压簧螺旋直至光屏上出现圆环波长之间的频宽为,v=120MH×52=625 干涉条纹组。然后将小孔光栏置于环系的中 MIz,取中心波长λ=5328A,则波长差 心,将幅值约130伏的锯齿波电压加于压电陶 瓷的内外表面,于是干涉仪的间距将围绕d以 △=4,2=0,81×10-2 波长的数量级作微小变动,按所加电压周期对 自由光谱范围调谐,伴随d的变化,条纹将护 或由记录透射曲线测出同一波长的相邻两个条 大或缩小,并从小孔D上一一掠过,当2nd=纹间的距离l=20.3mm,而同序条纹中不同 k2时,发生透射极大,透过光强经光电倍增管转波长间干涉条纹的相对位移4=5.2mm,根 换为光电流,由示波器和函数记录仪进行观察据下式(2) 和记录。扫描后得出的干涉条纹的输出图样如 AK=K,-K,=2d(2-A) 图2所示。函数仪所记录下的曲线即为多光 束干涉中的爱理(Airy)函数一[|+Fsin2但m I 〕-1。图2是各个频率分量的爱理函数的总 所以A2m=412.,A2 合。当,=l时,产生透射极大,其F= 将所测数据代入,并令λ1入2==6328A;得 AR/(1-R)2,R是于涉仪的反射率,8为光束间 (41入)g=9,83×10-2A 总的位相差。图2A,2C,分别表示激光東 改变干涉仪的间距d和记录仪的走纸速度 含有两个频率分量和三个频率分量 重复上述测量,取其平均值。 (2)用标定自由光谱区的方法测定微小 上述光电测量法要比用照相法方便迅速。 波长差。 如选定已知参考波长可直接测出波长的“绝 由前知,当=0.2nm,n=1,a=(时对”值。 101
为使学生对高分辨率仪器的主要参数选取可看出。见图[3]。 有所了解,还可作如下的验算。仍以1.=210 应当指出的是,严格地说选模问题常常是 mm的H(-'激光器为例,取谐振腔镜片的回嶽率的稳定问题相联系的,否则不可能获得 反射率为0,由激光原理知(氖的63284稳定的单频输出。这里我们并未施加稳频机 谱线的加宽主耍由多普勒效应所引起,被展宽,并1之间的匹配也不十分严格,因而输 了的原子谱线线宽(d2),=2×10-2A,而直 光谱区为(41)F=“,×10-2A可见(i)r 多串 将光学谐振腔有作为}…P腔,根据多儿 束论,腔的本征模式线霓(4λ)c为‘ 八 L )-0,58X1-⊥ D 所以每一纵模可视为单色谱线。根据上述的数 据,()m=1.1X10-3A,而(1)q=8.3X 1涉仪出 10-3A,可见,(4)m<(4),所以仪器是能 够分辨开两个波长的 3)r-p扫描于涉仪用于腔外选模 出随时间有漂移 选模是激光技不中的一个组成部分,它是 结束语 获得高单色性激光的重要手段。选模的方法有 扫描干涉仪不仅是-个重要的测束仪器 乡种,其中PE被广泛的用作选模元件,这里前在配合激光课程的教学上,对于激光器中 我们将扫描千仪用来作腔外选模,目的在于通 的—些重要物理现象,比如谐振腔中的模式竞 过这一示范实验使学生对选模技术及自关概念 争,兰姆凹陷以及其它因素对频谱的影响等, 有一个概括性的了解。 鄞能显示观察,使学生具有直观感,有助于 将一a于涉仪为非激峾的谐振腔,它的 对基本概念的加深理解。该实验所需的辅助仪 谓为(1) 器,一般实验室均可配备,做到一机多用。 nd i=i, 个实验曾得到教研室主任舒贤治副教授的 干涉仪的颚率间陋大于激光器的振带 校核和帮助,在此表示谢意。 宽,当d作闢坷性变化时,它的频谱将随之 参考文献 动,倘若使它的某…率被调谐到与注入光 中的某一颎率模一致讨,该模就从干涉仪中邊 41)雷印生、土诺;第五插全国激光学 出,而其余的模则被反射,即筛选出单一的模。长讨论会论文集(1990);第一届全国光散射 实验时将L=230mm的多模He--管的会议论文选(1981年)。 激光束注入干涉仪,在压电陶瓷上加以50周的 (2)M·波恩《光学原理》,杨葭荪讦 调制电压(或音频电压),遂渐改变电压的大学出版社(978)。 小,从示波器上观察输出模谱的变化,当所 (3)朱如曾等《激光物理》,国防工业 加电压的幅值足以使nd的改变满足n=mA洪(1:1)。 时。某单纵模的光透过、,从小波器上即 收稿日期:19z年42日) *Iv:2