[科普中国]-共焦干涉仪

简介

共焦干涉仪是一种高分辨率的光谱分析仪器。它特别适合分析激光输出模谱结构，监控单频激光输出和探测锁相效应，也可用来分析光谱线轮廓、超精细结构和同位素位移；它还可用作可调谐的窄带通滤波器等。

1958年，法国人柯勒斯（Connes）根据多光束的干涉原理，提出了一种共焦球面干涉仪。到了二十世纪60年代，这种共焦系统广泛用作激光器谐振腔。同时由于激光科学的发展，迫切需要对激光器的输出光谱特性进行分析，于是在共焦球面干涉仪的基础上发展了一种球面扫描干涉仪，这种干涉仪用压电陶瓷作为扫描元件或用气压进行扫描。1

工作原理共焦干涉仪最大透过率的频率就是干涉仪的共振频率，它决定于相邻相干光束的光程差。光程差正比于共振腔腔长，因而干涉仪透过波长是腔长的线性函数。若线性地改变腔长就可对波长进行线性扫描。干涉仪的透过光经光电转换，光源的频谱分布则可直接显示在示波器的荧光屏上或记录器上。

共焦干涉仪是一个无源腔，由两块球形凹面反射镜构成，两块镜的曲率半径和腔长相等（即 ，构成共焦腔）。反射镜一块固定不动，另一块固定在可随外电压变化而变化的压电陶瓷环上。如图所示，由低膨胀系数材料制成的间隔圈，用以保持两球凹面反射镜 总处于共焦状态。压电陶瓷环的特点是，当在环的内壁上加一定数值的电压时，环的长度将会随之发生变化，且长度的变化与外加电压的幅度成线性关系，由于长度变化很小，仅为波长数量级，所以它不会改变腔的共焦状态。

当一束波长为λ的光近轴入射到干涉仪内时，在忽略球差的条件下，在共焦腔中经四次反射走一闭合路径，光程近似为 ，如图

光在腔内每走一个周期都会有部分光从镜面透射出去，一束光将有1、1'两组透射光，若m是光线在腔内往返的次数，则1组经历了4m次反射后，1'组经历了4m+2次反射. 设反射镜的反射率为R，透射系为T，1、1’两组透光强分别为

式中 是入射光强，β是往返一次所形成的位相差，即

u为腔内介质的折射率。

当β=kπ(k为任意整数)时即4uL=kλ，此时透射率有极大值。2

共焦干涉仪腔体结构

2—反射镜，3—针孔光栏，4—压电陶瓷，5—光电接收放大器。

与通常的平面法珀干涉仪相比有如下优点：

(1)衍射损失小几个数量级；

(2)对反射镜光圈的要求大大降低；

(3)对反射镜平行性调整公差要求较低；

(4)与入射光束准直比较容易，可有较大的接收角。

共焦干涉仪与一般球面干涉仪相比主要优点是“模简并”，与一般干涉仪不同，它并不需要与入射激光束进行模匹配，它甚至不需要精确与入射激光束同轴，而处于微离轴照明还避免了对激光器的反馈效应。

技术参数仪器的带宽仪器的带宽 是指干涉仪透射峰的频率宽度，也是干涉仪能分辨的最小频差，通常反射镜的反射率越高、调整精度越高、腔内损耗越小、则带宽越窄. 为了分辨相隔很近的谱线. 要求干涉仪有足够窄的带宽.

精细常数精细常数是用来表征扫描干涉仪分辨本领的参数，它的定义是：自由光谱范围与最小分辨极限之比，即在自由光谱范围内能分辨的最多的谱线数目，精细常数的理论公式为

式中R为凹面镜的反射率，F只与镜片的反射率有关。实际上精细常数还与共焦腔调整精度、镜片加工精度以及扫描干涉仪的入射和出射光孔等因素有关。所以在实际应用中，F经常是由实验来确定的。根据精细常数的定义

式中 是干涉仪所能分辨出的最小波长差， 是干涉仪所能分辨出的最小频差，实验中就是一个模的半值宽度，从展开的模谱中我们可以测出F的大小。3

用途（1）高分辨率激光光谱测量

（2）激光器模式检测与控制

（3）单模激光器生产与检测

（4）超声振动探测（无损检测）

（5）激光陀螺生产与检测

（6）超高频时钟信号提取/恢复（光纤通信）

（7）稳频器

（8）鉴频器

（9）滤波器