物理光学-法布里—珀罗干涉仪课件

一种一种分辨本领极高分辨本领极高的光谱仪器外，还可构成的光谱仪器外，还可构成激光器的激光器的谐振腔谐振腔。3.4.3 法布里法布里珀罗干涉仪珀罗干涉仪(Fabry Perot interferometer)单色扩展光源单色扩展光源G1G2 一种分辨本领极高的光谱仪器外，还可构成激光器的谐振腔。3.11.法布里法布里珀罗干涉仪的结构珀罗干涉仪的结构法布里法布里珀罗干涉仪主要由两块平行放置的平面玻璃珀罗干涉仪主要由两块平行放置的平面玻璃板或石英板板或石英板 G1、G2 组成。组成。单色扩展光源单色扩展光源G1G21.法布里珀罗干涉仪的结构法布里珀罗干涉仪主要由两块平21.法布里法布里珀罗干涉仪的结构珀罗干涉仪的结构两板的内表面镀银或铝膜，或多层介质膜以提高表面两板的内表面镀银或铝膜，或多层介质膜以提高表面反射率。为了得到尖锐的条纹，反射率。为了得到尖锐的条纹，两镀膜面应精确地保两镀膜面应精确地保持平行，持平行，其平行度一般要求达到其平行度一般要求达到(1/20-1/100)。G1G21.法布里珀罗干涉仪的结构两板的内表面镀银或铝膜，或多层3如果两板之间的光程可以调节，这种干涉装置称为法如果两板之间的光程可以调节，这种干涉装置称为法布里一珀罗布里一珀罗干涉仪干涉仪；如果两板间放一间隔圈，使两板；如果两板间放一间隔圈，使两板间的距离固定不变，则称为法布里一珀罗间的距离固定不变，则称为法布里一珀罗标准具标准具。1.法布里法布里珀罗干涉仪的结构珀罗干涉仪的结构G1G2如果两板之间的光程可以调节，这种干涉装置称为法布里一珀罗干涉4将它与迈克尔逊干涉仪产生的等顿干涉条纹图比较将它与迈克尔逊干涉仪产生的等顿干涉条纹图比较可见，可见，法布里一珀罗干涉仪产生的条纹要精细很多法布里一珀罗干涉仪产生的条纹要精细很多,但是两种条纹的角半径和角间距计算公式相同。但是两种条纹的角半径和角间距计算公式相同。迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪法布里一珀罗干涉仪法布里一珀罗干涉仪1.法布里法布里珀罗干涉仪的结构珀罗干涉仪的结构将它与迈克尔逊干涉仪产生的等顿干涉条纹图比较可见，法布里一珀5通常法布里通常法布里珀罗干涉仪的使用范围是珀罗干涉仪的使用范围是 l200mm，在一些特殊装置中在一些特殊装置中，h 可大到可大到 l m。以以h=5 mm计算计算,中央条纹的干涉级约为中央条纹的干涉级约为20000，可见其条纹干涉级很可见其条纹干涉级很高，因而高，因而这种仪器只适用于单色性很好的光源这种仪器只适用于单色性很好的光源。1.法布里法布里珀罗干涉仪的结构珀罗干涉仪的结构通常法布里珀罗干涉仪的使用范围是 l200mm，在一些特6当干涉仪两板内表面镀金属膜时，由于金属膜当干涉仪两板内表面镀金属膜时，由于金属膜对光对光产生强烈吸收产生强烈吸收，使得整个干涉图样的强度降低。假，使得整个干涉图样的强度降低。假设金属膜的吸收率为设金属膜的吸收率为 A，则根据能量守恒关系有，则根据能量守恒关系有1.法布里法布里珀罗干涉仪的结构珀罗干涉仪的结构当干涉仪两板内表面镀金属膜时，由于金属膜对光产生强烈吸收，使7当干涉仪两板的膜层相同时，由当干涉仪两板的膜层相同时，由(43)式和上式可以式和上式可以得到考虑膜层吸收时的透射光干涉图样强度公式：得到考虑膜层吸收时的透射光干涉图样强度公式：1.法布里法布里珀罗干涉仪的结构珀罗干涉仪的结构当干涉仪两板的膜层相同时，由(43)式和上式可以得到考虑膜层8其中其中 是光在金属内表面反射时的是光在金属内表面反射时的相位变化相位变化，R应理解应理解为金属膜内表面的反射率。可见，由于金属膜的吸为金属膜内表面的反射率。可见，由于金属膜的吸收，干涉图样强度。收，干涉图样强度。1.法布里一珀罗干涉仪的结构法布里一珀罗干涉仪的结构其中 是光在金属内表面反射时的相位变化，R应理解为金属膜92.法布里一珀罗干涉仪的应用举例法布里一珀罗干涉仪的应用举例由于法布里一珀罗标准具能够产生十分细而亮的等倾由于法布里一珀罗标准具能够产生十分细而亮的等倾干涉条纹，所以它的一个重要应用就是研究光谱线的干涉条纹，所以它的一个重要应用就是研究光谱线的精细结构，将一束光中不同波长的光谱线分开精细结构，将一束光中不同波长的光谱线分开分光分光.1）研究光谱线的超精细结构）研究光谱线的超精细结构2.法布里一珀罗干涉仪的应用举例由于法布里一珀罗标准具能够10作为一个分光元件来说，衡量其特性的好坏有作为一个分光元件来说，衡量其特性的好坏有三个三个技术指标技术指标：(1)能够分光的最大波长间隔能够分光的最大波长间隔自由光谱范围自由光谱范围；(2)能够分辨的最小波长差能够分辨的最小波长差分辨本领分辨本领；(3)使不同波长的光分开的程度使不同波长的光分开的程度角色散角色散。1）研究光谱线的超精细结构）研究光谱线的超精细结构作为一个分光元件来说，衡量其特性的好坏有三个技术指标：1）研11(1)自由光谱范围自由光谱范围标准具常数标准具常数多光束干涉的讨论已经知道，有两个波长为多光束干涉的讨论已经知道，有两个波长为 1和和 2的光入射至标准具，由于两种波长的同级条纹的光入射至标准具，由于两种波长的同级条纹角半径角半径不同不同，因而将得到如图所示的两组干涉圆环。，因而将得到如图所示的两组干涉圆环。干涉级干涉级mm+1m+2(1)自由光谱范围标准具常数多光束干涉的讨论已经知道，有两12可得可得，m 相同时相同时，越大越大，cost 就越大就越大，t 就越小就越小，又由于又由于因此因此，2 的干涉圆环直径的干涉圆环直径比比 1 的干涉圆环直径小。的干涉圆环直径小。由于由于2 1，从光程差方程从光程差方程Lfn0n0nhittP0rr=ft可得，m 相同时，越大，cost 就越大，t 就越13当当 1 和和 2 相差很大，以致于相差很大，以致于 2 的第的第 m 级干涉条纹级干涉条纹与与1的第的第m+1 级干涉条纹重叠，就引起了不同级次级干涉条纹重叠，就引起了不同级次的条纹混淆，达不到分光之目的。的条纹混淆，达不到分光之目的。(1)自由光谱范围自由光谱范围标准具常数标准具常数mm+1所以，对于一个标准具分光元件来说，存在一个允所以，对于一个标准具分光元件来说，存在一个允许的最大分光波长差，称为许的最大分光波长差，称为自由光谱范围自由光谱范围()f。当 1 和 2 相差很大，以致于 2 的第 m 级干涉14对于靠近条纹中心的某一点对于靠近条纹中心的某一点(0)处处，2 的第的第 m 级级条纹与条纹与 1 的第的第 m+1 级条纹发生重叠时，其光程差相级条纹发生重叠时，其光程差相等，有等，有(1)自由光谱范围自由光谱范围标准具常数标准具常数因此因此，对于靠近条纹中心的某一点(0)处，2 的第 m 15自由光谱范围自由光谱范围()f 也称作仪器的也称作仪器的标准具常数标准具常数，它是，它是分光元件的重要参数。分光元件的重要参数。(1)自由光谱范围自由光谱范围标准具常数标准具常数对于对于h=5mm的标准具的标准具,入射光波长入射光波长=0.546lm，n=1 时，由上式可得时，由上式可得()f=0.310-4m。自由光谱范围()f 也称作仪器的标准具常数，它是分光元件16分光仪器所能分辨开的最小波长差分光仪器所能分辨开的最小波长差()m称为称为分辨分辨极限极限，并称，并称为分辨本领为分辨本领。(2)分辨本领分辨本领分光仪器所能分辨开的最小波长差()m称为分辨极限，并称为17对于不同的观察者，这个对于不同的观察者，这个“能分辨开能分辨开”是不同的。是不同的。为此，必须要选择一个公认的标准。而在光学仪器为此，必须要选择一个公认的标准。而在光学仪器中中,通常采用的标准是通常采用的标准是瑞利判据瑞利判据。(2)分辨本领分辨本领对于不同的观察者，这个“能分辨开”是不同的。为此，必须要选择18瑞利判据在这里指的是，两个等强度波长的亮条纹只瑞利判据在这里指的是，两个等强度波长的亮条纹只有当它们的合强度曲线中央极小值低于两边极大值的有当它们的合强度曲线中央极小值低于两边极大值的81时，才算被分开。时，才算被分开。(2)分辨本领分辨本领瑞利判据在这里指的是，两个等强度波长的亮条纹只有当它们的合强19如果不考虑标准具的吸收损耗，如果不考虑标准具的吸收损耗，1 和和 2 的透射光合的透射光合强度为强度为式中式中，1 和和 2 是在干涉场上同一点的两个波长条纹是在干涉场上同一点的两个波长条纹所对应的所对应的相位差相位差。(2)分辨本领分辨本领如果不考虑标准具的吸收损耗，1 和 2 的透射光合强度为20设设 I1i=I2i=Ii，1-2=，则在合强度极小处则在合强度极小处(F点点)，1=2m+/2，2=2m-/2，因此极小值强度为因此极小值强度为(2)分辨本领分辨本领设 I1i=I2i=Ii，1-2=，则在合强度21(2)分辨本领分辨本领1=2m+/2，2=2m-/2(2)分辨本领1=2m+/2，2=2m-22在合强度极大值处在合强度极大值处，1=2m，2=2m-，故极大故极大值强度为值强度为(2)分辨本领分辨本领在合强度极大值处，1=2m，2=2m-，故23按照瑞利判据，两个波长条纹恰能分辨的条件是按照瑞利判据，两个波长条纹恰能分辨的条件是因此有因此有(2)分辨本领分辨本领按照瑞利判据，两个波长条纹恰能分辨的条件是因此有(2)分辨24由于由于 很小很小，sin /2 /2，可解得可解得式中，式中，N 是条纹的精细度。是条纹的精细度。(2)分辨本领分辨本领由于 很小，sin /2 /2，可解得式25再由再由(98)式，略去式，略去 的影响，有的影响，有(2)分辨本领分辨本领这里这里，是光在金属内表面反射时的相位变化是光在金属内表面反射时的相位变化。再由(98)式，略去 的影响，有(2)分辨本领这里，26由于此时两波长刚被分辨开由于此时两波长刚被分辨开，=，所以标准具的所以标准具的分辨本领为分辨本领为(2)分辨本领分辨本领由于此时两波长刚被分辨开，=，所以标准具的分辨本领27分辨本领与条纹分辨本领与条纹干涉级数和精细度成正比干涉级数和精细度成正比。由于法。由于法布里布里珀罗标准具的珀罗标准具的 N 很大，所以标准具的分辨本很大，所以标准具的分辨本领极高。领极高。(2)分辨本领分辨本领分辨本领与条纹干涉级数和精细度成正比。由于法布里珀罗标准具28例如，若例如，若 h=5mm，N 30(R0.9)，=0.5m，则则在接近正入射时，标准具的分辨本领为在接近正入射时，标准具的分辨本领为(2)分辨本领分辨本领这相当于在这相当于在 =0.5m 上上，标准具能分辨的最小波长标准具能分辨的最小波长差差()m为0.008310-4m，这样高的分辨本领是一这样高的分辨本领是一般光谱仪所达不到的。般光谱仪所达不到的。例如，若 h=5mm，N 30(R0.9)，=29有时把有时把(107)式中的式中的0.97N 称为标准具的称为标准具的有效光束数有效光束数 N，于是于是(l07)式可以写成式可以写成(2)分辨本领分辨本领有时把(107)式中的0.97N 称为标准具的有效光束数 N30它定义为它定义为单位波长间隔的光，单位波长间隔的光，经分光仪所分开的角度，用经分光仪所分开的角度，用d/d表示表示。d/d愈大，不同愈大，不同波长的光经分光仪分得愈开。波长的光经分光仪分得愈开。(3)角色散角色散Lfn0n0nhittP0rr=ft它定义为单位波长间隔的光，经分光仪所分开的角度，用d/d31由法由法珀干涉仪透射光极大值条件珀干涉仪透射光极大值条件不计平行板材料的色散，两边进行微分，可得不计平行板材料的色散，两边进行微分，可得(3)角色散角色散由法珀干涉仪透射光极大值条件不计平行板材料的色散，两边进行32角度角度 愈小，仪器的角色散愈大愈小，仪器的角色散愈大。因此，在法。因此，在法珀干珀干涉仪的干涉环中心处光谱最纯。涉仪的干涉环中心处光谱最纯。(3)角色散角色散或或角度 愈小，仪器的角色散愈大。因此，在法珀干(3)角色散332)用作激光器的谐振腔用作激光器的谐振腔如图所示，一台激光器主要由两个核心部件组成：激如图所示，一台激光器主要由两个核心部件组成：激光光工作物质工作物质(激活介质激活介质)和由和由 M1、M2 构成的构成的谐振腔谐振腔。激活介质激活介质M1M2激励源激励源2)用作激光器的谐振腔如图所示，一台激光器主要由两个核心部件34激光工作物质在激励源的作用下，为激光的产生提激光工作物质在激励源的作用下，为激光的产生提供了供了增益增益，其增益曲线如图中的虚线所示。，其增益曲线如图中的虚线所示。2)用作激光器的谐振腔用作激光器的谐振腔AI0vvv1/2BC振荡阈值振荡阈值增益曲线增益曲线激光工作物质在激励源的作用下，为激光的产生提供了增益，其增益35谐振腔为激光的产生提供了谐振腔为激光的产生提供了正反馈正反馈，并具有选模作，并具有选模作用，它实际上可以看作是由用，它实际上可以看作是由 M1、M2 构成的法布构成的法布珀罗干涉仪。珀罗干涉仪。2)用作激光器的谐振腔用作激光器的谐振腔激活介质激活介质M1M2激励源激励源谐振腔为激光的产生提供了正反馈，并具有选模作用，它实际上可以36由于激光输出还必须满足一定的由于激光输出还必须满足一定的阈值条件阈值条件，所以激，所以激光输出频率只有如图所示的光输出频率只有如图所示的 A、B、C 等少数几个等少数几个。2)用作激光器的谐振腔用作激光器的谐振腔AI0vvv1/2BC振荡阈值振荡阈值增益曲线增益曲线由于激光输出还必须满足一定的阈值条件，所以激光输出频率只有如37由激光理论，激光器的每一种输出频率称为由激光理论，激光器的每一种输出频率称为振荡纵振荡纵模模，每一种输出频率的频宽称为，每一种输出频率的频宽称为单模线宽单模线宽，相邻两，相邻两个纵模间的频率间隔称为个纵模间的频率间隔称为纵模间隔纵模间隔。2)用作激光器的谐振腔用作激光器的谐振腔AI0vvv1/2BC振荡阈值振荡阈值增益曲线增益曲线由激光理论，激光器的每一种输出频率称为振荡纵模，每一种输出频38激光器输出的纵模频率实际上是满足法布里激光器输出的纵模频率实际上是满足法布里泊罗泊罗干涉仪干涉亮条纹条件的一系列频率。在正入射情干涉仪干涉亮条纹条件的一系列频率。在正入射情况下，满足下面的关系：况下，满足下面的关系：n 和和 L 分别是谐振腔内介质的折射率和谐振腔长度分别是谐振腔内介质的折射率和谐振腔长度,m 是干涉级。是干涉级。(1)纵模频率纵模频率激光器输出的纵模频率实际上是满足法布里泊罗干涉仪干涉亮条纹39由此可得纵模频率为由此可得纵模频率为(1)纵模频率纵模频率相应的波长为相应的波长为由此可得纵模频率为(1)纵模频率相应的波长为40(2)纵模间隔纵模间隔可见，它只与谐振腔长度和折射率有关。可见，它只与谐振腔长度和折射率有关。根据根据(112)式，纵模间隔为式，纵模间隔为(2)纵模间隔可见，它只与谐振腔长度和折射率有关。根据(1141由多光束干涉条纹锐度的分析，干涉条纹的相位差半由多光束干涉条纹锐度的分析，干涉条纹的相位差半宽度为宽度为而由而由(39)式有式有(3)单模线宽单模线宽由多光束干涉条纹锐度的分析，干涉条纹的相位差半宽度为而由(342因此，当光波包含有许多波长时，因此，当光波包含有许多波长时，与相位差半宽度与相位差半宽度相应的波长差为相应的波长差为(3)单模线宽单模线宽因此，当光波包含有许多波长时，与相位差半宽度相应的波长差为(43或以频率表示，相应的谱线宽度为或以频率表示，相应的谱线宽度为(3)单模线宽单模线宽由上式可见，由上式可见，谐振腔的反射率越高，或腔长越长，谱谐振腔的反射率越高，或腔长越长，谱线宽度越小线宽度越小。例如，一支例如，一支He-Ne 激光器激光器，L=1m，R=98，可算出可算出v1/2=1 MHz。或以频率表示，相应的谱线宽度为(3)单模线宽由上式可见，谐振44