FP腔的調(diào)節(jié)解讀

1、F-P F-P 腔腔 的的 調(diào)調(diào) 節(jié)節(jié)一、一、F-PF-P腔的工作原理腔的工作原理二、二、F-PF-P腔的結構腔的結構三、三、F-PF-P腔的調(diào)節(jié)腔的調(diào)節(jié)四、四、F-PF-P腔在光學實驗中的應用腔在光學實驗中的應用一、一、F-P腔的工作原理腔的工作原理F-P腔（Fabry-perot Cavity）是一種利用多光束干涉現(xiàn)象來工作的裝置 圖1 多光束干涉示意圖 如圖1,一束光0入射到一上下表面平行的薄膜上,它將產(chǎn)生一系列的反射光束1,2,3,和一系列的透射光束1,2,3, 令r和t分別代表光從膜外到膜內(nèi)的振幅反射率和透射率, r和t分別代表光從膜內(nèi)到膜外的振幅反射率和透射率,用A代表入射光0的振

2、幅。在薄膜2兩側(cè)媒質(zhì)的折射率n1和n2相等的條件下,由光的可逆性原理可得:r=-r 和r2+tt=1 (1)反射光束和透射光束的復振幅表示: (2)1233 iiUArUAtr tUAtrtee 12243iiUAttUAtr tUAtr tee0RTIII反射光和透射光的總振幅和光強分別為:式中 ，20IA222 202422( )(1)1 2cos(1)(1)TTTiiA ttIrIU Urrrree0224s i n(/ 2 )1(1)IRR計算可得透射光強為 :11jRjjTjUUUURRRTTTIU UIU U(3)為入射光強。 (4)利用（4）式可作出F-P腔透射特性曲線如圖2所示

3、圖2IT/I0R=5%R=25%R=75%R=50% 圖中曲線表明，隨著R的增大，透射光強極大的銳度越來越大。 R的增大意味著無窮系列中后面光束的作用越來越不可忽略，從而參加到干涉效應中的光束數(shù)目越來越多，其結果是使干涉條紋的銳度變大。這一特征正是多光束干涉的普遍規(guī)律。 1RFR 它反映了F-P腔的分辨率. 定義F-P腔的精細度F(Finesse)為. 二、二、F-P腔的結構腔的結構 實驗中所用的腔鏡反射率為R=0.98,代入(5)式得精細度F =155.在實驗中調(diào)節(jié)的F-P 腔是由山西大學光電研究所設計的可控溫F-P腔,由于F-P腔的腔長的變化, 將影響到透射光頻率的穩(wěn)定性,為此,在該F-P

4、腔的設計中,充分考慮了環(huán)境溫度的變化,空氣的變化及機械振動等干擾的防護.(5) 圖3 F-P腔剖面結構圖 1.壓電陶瓷 2.腔鏡1 3.膠木 4.紫銅 5.珀耳帖件 6.螺旋微調(diào)塊 7.腔鏡2 8.鋁殼 9.殷鋼F-P腔結構如圖3所示3 6 7 8 9 1 3 5 2 4 圖4 F-P腔外觀結構圖 為了減小空氣的流動,采用了密封的腔體,即用鋁罩將腔體封住;為了減小溫度的影響,采用了熱膨脹系數(shù)較小的殷鋼材料(線膨脹系數(shù)為=910-7/),同時用控溫精度為0.3的控溫儀,通過珀耳帖元件和熱敏電阻來控溫(為了避免殷鋼導熱性差對控溫時間的限制又在殷鋼外包了一層對熱反應敏感的紫銅);為了防震,在紫銅的外

5、邊包了一層膠木(起一定的保溫作用),并將整個裝置放在防震臺上。 F-P腔對光路的要求非常嚴格,它要求光能夠從它的兩面反射鏡的中心準確地通過,所以對光路的調(diào)節(jié)要求非常精確.不能使光路有左右或上下的一丁點的偏差.光路的調(diào)節(jié)如下圖5所示: 三、三、F-P腔的腔的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 圖5 F-P腔光路的調(diào)節(jié)實驗操作步驟如下實驗操作步驟如下: （1 1）首先要對光路進行初步的調(diào)節(jié)，用兩個光闌b1和b2來準直光路,使光路達到F-P腔的高度153mm。實驗中激光的輸出光的高度大約為147mm，因此需借助兩個的全反鏡M1和M2結合兩個光闌來達到所需高度。（2 2）將兩個光闌（a1，a2）加在F-P腔上，把F-P腔放入到

6、準直后的光路中，若剛才準直后的光高與F-P腔的所需光高有誤差，這時需再通過對的細調(diào)來達到所需高度，使光線水平準直地通過兩個光闌. (3) a.粘貼腔的第一片腔鏡，由于粘貼后的腔鏡的軸線與準直的光路不一定完全重合，可能存在誤差，因此，在粘貼過程中需借助一個磁力座來減小這個誤差。把粘貼好的腔鏡裝置放在磁力座上進行校正，這時也需借助光闌，調(diào)節(jié)的目的是使入射光斑與出射光斑的中心重合，調(diào)節(jié)過程中要在A-B膠未完全固化之前，通過旋轉(zhuǎn)鏡片使得入射光斑與反射光斑在最小誤差范圍內(nèi)達到重合，旋轉(zhuǎn)時注意手指不要接觸鏡面,否則可能造成對鏡面的損壞。調(diào)節(jié)過程持續(xù)15分鐘左右。由于磁力座不可能做的精確水平，因此粘貼好的腔

7、鏡在校正后任可能存在較小的誤差。 b.粘貼第二片鏡子。同樣需要用一個光闌來幫助調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)過程需要借助保險絲來達到入射光斑與反射光斑重合的效果。第二片鏡子是粘貼在壓電陶瓷上的, 粘貼好后還要在壓電陶瓷上焊接高壓線（注意壓電陶瓷是內(nèi)正外負在高壓線上作好標志）。（4）兩片腔鏡粘貼好后，在F-P腔的前面加一個f=150mm的聚焦透鏡，使聚焦透鏡的焦點大致在腔的中心處。用CCD觀察出射的光斑（有兩個），使它們重合并達到很好的干涉效果（可以看到明暗閃爍），同時不斷調(diào)整腔長，使腔長最佳（L=100mm）。這些都是通過示波器來觀察和調(diào)整的。 (1) 提高單色性 將一非單色光輸入F-P腔之后得到的輸出曲線圖,頻

8、率是等間隔的,每條單模的譜線寬度隨R和H的增大而減小,即F-P腔對輸入的非單色光起挑選波長,壓窄線寬,從而提高單色性的作用.這點在激光技術中得到重要的應用.四、四、F-P腔在光學實驗中的應用腔在光學實驗中的應用1 F-P1 F-P腔在光譜學中的應用腔在光譜學中的應用(2) 用于超精細結構的分析用于超精細結構的分析 主要用在光譜線超精細結構的研究方面.由于原子核磁矩的影響,有的光譜線分裂成幾條十分接近的譜線,這叫做光譜線的超精細結構.設想入射光中包含兩個十分接近的波長和=+.它們產(chǎn)生的等傾干涉條紋有稍微不同的半徑.如果每根干涉條紋的寬度較大,則兩個波長的干涉條紋就會重疊在一起無法分辨.經(jīng)F-P腔

9、后干涉條紋的細銳對提高譜線分辨率本領是極為有利的因素. 穩(wěn)頻技術是從事若干量子光學實驗的重要問題,直接應響著實驗結果的好壞,穩(wěn)頻技術的提高將促使我們對微觀世間進一步了解和認識及前沿學科的發(fā)展.穩(wěn)頻技術不僅在高精度光學測量,光學通信等方面具有重要的應用前景,而且它是從基礎研究到應用研究的各種實驗不可缺少的環(huán)節(jié).F-P腔是一種分辨波長微小變化的元件,同時,也能以相同的精度分辨出頻率的改變,因而可用作激光穩(wěn)頻基準.它突出的優(yōu)點是較寬頻率動態(tài)工作范圍.2 F-P腔穩(wěn)頻技術腔穩(wěn)頻技術 3 F-P作為反饋元件的應用作為反饋元件的應用 在自由運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，半導體激光器譜線一般較寬,由于低Q腔和電場振幅相位之間

10、的相互耦合，使光的振幅和相位噪聲較大，在光通信、量子光學、BEC等應用和實驗中，要求窄線寬，頻率穩(wěn)定性高的單頻低噪聲光源。大量研究表明，通過外加光反饋如光柵外部反饋，F(xiàn)-P腔外部反饋等不但可將半導體激光器線寬壓窄，而且還可將頻率調(diào)到特定的波長區(qū)，同時降低其強度和位相噪聲，降低閾值。光反饋是通過平面鏡、光柵、F-P腔等反饋元件將輸出光束的部分光反饋回半導體激光器，使特定的模式振蕩同時抑制其它模式的方法。山山 西西 大大 學學物 理 實 驗 中 心姚景芹 Email: 為了減小空氣的流動,采用了密封的腔體,即用鋁罩將腔體封住;為了減小溫度的影響,采用了熱膨脹系數(shù)較小的殷鋼材料(線膨脹系數(shù)為=910

11、-7/),同時用控溫精度為0.3的控溫儀,通過珀耳帖元件和熱敏電阻來控溫(為了避免殷鋼導熱性差對控溫時間的限制又在殷鋼外包了一層對熱反應敏感的紫銅);為了防震,在紫銅的外邊包了一層膠木(起一定的保溫作用),并將整個裝置放在防震臺上。實驗操作步驟如下實驗操作步驟如下: （1 1）首先要對光路進行初步的調(diào)節(jié)，用兩個光闌b1和b2來準直光路,使光路達到F-P腔的高度153mm。實驗中激光的輸出光的高度大約為147mm，因此需借助兩個的全反鏡M1和M2結合兩個光闌來達到所需高度。（2 2）將兩個光闌（a1，a2）加在F-P腔上，把F-P腔放入到準直后的光路中，若剛才準直后的光高與F-P腔的所需光高有誤差，這時需再通過對的細調(diào)來達到所需高度，使光線水平準直地通過兩個光闌. (2) 用于超精細結構的分析用于超精