F-P干涉仪在长度测量领域的应用

　　引 言

　　随着光学技术的发展,人们对光波的干涉、衍射等现象有了越来越深刻的了解和认识。当光束通过两块镀以高反射率、并以固定的间隔放置的玻璃板时,就会发生多光束干涉的现象。早在1862年,法国科学家Fabry和Perot等人就对这个装置进行了大量而又细致的研究工作,后人把这种装置称作F-P标准具(Etalon),由它构成的干涉仪称作Fabry-Perot干涉仪。F-P标准具具有平面或球面反射镜的形式,是一种重要的精密光学仪器,在现代有着重要的应用,被广泛应用于干涉光谱学,干涉计量学以及激光器、激光原理等方面的研究。利用F-P干涉仪,我们可以研究光源线的超精细结构,利用大口径等厚条纹型还可以进行流场的温度和密度的测量[1,2];F-P干涉仪的另一个重要的应用是在长度的干涉测量方面,应用它我们可以实现高精度的长度测量和相关领域的测量。

　　我们将重点综述F-P干涉仪在以长度为基础的测量方面的测量原理和应用,并分析了可能遇到的一些困难和相应的解决方案。最后,指出在今后的发展中,纳米测量是F-P干涉仪的一个趋势。

　　1 应用于激光器的频率锁定和稳频

　　在几乎所有的光学长度测量中都是用光波的波长来作为/尺子0,那么,光波长的精度,也即/尺子0的精度将直接影响到最终的测量精度。众所周知,长度的定义与光波在真空中的速度有关。在1992年,CCDM第8次会议上推荐了复现米定义的8种标准辐射(激光)的谱线值,这8种标准辐射光波有着严格的工作条件限制,不适合作为长度测量时的光源直接应用。与标准波长非常接近的工作波长,我们可直接使用拍频的方法进行标定,但当工作激光波长与标准波长相差较远时,则必须通过F-P频率锁定干涉仪的方法进行实时地、在线地标定,进而给出它的波长。在稳频的方案中,通过反馈控制系统和F-P限制腔共同稳定工作激光器的频率。

　　图1是频率锁定干涉仪的原理框图。在图中F-P放置在真空度保持在10-8Pa的不锈钢容器中,用自动控制系统使其温度保持恒定。经过扩束装置(collimator)扩束后的平行激光束通过光学系统在接收器上会形成干涉条纹,以此系统采用旋转漫射屏作为新的光源,破坏激光的空间相干性而使干涉仪的入射和出射孔径都有均匀的照明,这将减小观点接收器上灵敏度不均匀带来的误差。标准具平板的平面度优于K/100。

　　当进行波长比对时,需要已知波长的标准稳频激光器(波长为K1)和工作激光器(波长为K2)。首先,调节F-P的腔长使之锁定在标准激光器透射的极大值处;其次,调节工作激光器的频率使之位于F-P腔的一个透射极大值处,比较二者在F-P腔中的干涉级次即可计算出工作激光器的波长值,也即将它的波长与标准波长联系起来。在高精度测量中,特别是在几十米到几百米的大尺寸测量中和纳米测量中,工作激光器的频率都需要稳定或者实时已知其波长值,所以,这种频率锁定干涉仪被广泛应用。