什么是法布里-珀羅干涉儀？法布里-珀羅干涉儀的特點(diǎn)有哪些？

干涉儀（FP、Michelson、MZ、Sagnac）

什么是法布里-珀羅干涉儀？

法布里-珀羅干涉儀（Fabry–Pérot interferometer），常又作法布里－佩羅干涉儀或FP干涉儀。由法國(guó)物理學(xué)家Charles Fabry和Alfred Perot共同發(fā)明。

法布里-珀羅干涉儀是一種由兩個(gè)反射系數(shù)非常高的反射鏡組成的光學(xué)裝置，允許入射光的很小一部分透射。其結(jié)構(gòu)類似于兩個(gè)平行板，光在這個(gè)間隙內(nèi)經(jīng)歷多次反射，每次反射都會(huì)有一小部分“逃逸”透射出來(lái)。由于這些透射光都具有相同的幅度，然后這些透射出來(lái)的光將會(huì)相互進(jìn)行干涉。顯而易見(jiàn)，這樣的裝置屬于多波干涉儀類型，區(qū)別于其他類型干涉儀重要標(biāo)志。

（法布里-珀羅干涉儀的基本結(jié)構(gòu)）

法布里-珀羅干涉儀的特點(diǎn)

法布里-珀羅干涉儀其中一個(gè)最典型的應(yīng)用就是法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具了，常直接簡(jiǎn)稱為光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)具。這里的“標(biāo)準(zhǔn)具”來(lái)源于法語(yǔ)étalon， 有“測(cè)量規(guī)范”或“標(biāo)準(zhǔn)”的意思。

（法布里-珀羅干涉儀的干涉條件）

很明顯，只有當(dāng)入射光的波長(zhǎng)、兩平板間的距離以及平板間的折射率成一定比值時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。當(dāng)某一條件變化時(shí)，就會(huì)得到非常有規(guī)律的干涉峰，精準(zhǔn)地像一把尺子一樣。在那個(gè)缺乏微觀測(cè)量手段的年代，這樣的測(cè)量方法也漸漸成了“行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”，這樣的設(shè)備就被成為“標(biāo)準(zhǔn)具”沿用至今。

（法布里-珀羅干涉儀的干涉譜）

今天法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具早已不單單是個(gè)測(cè)量設(shè)備了，其原理早已廣泛應(yīng)用到了高分辨光學(xué)濾波器、皮秒激光器帶寬控制以及調(diào)諧器、光譜縱模/橫模分析檢測(cè)、太赫茲光譜儀校準(zhǔn)等非常廣的領(lǐng)域。

（法布里-珀羅干涉標(biāo)準(zhǔn)具——帶寬濾波器）

法布里-珀羅干涉儀的應(yīng)用

二項(xiàng)色性濾鏡，它是利用物理氣相沉積（PVD）方法將一組標(biāo)準(zhǔn)具薄膜鍍?cè)诠鈱W(xué)器件表面。相比于吸收濾鏡，這種光學(xué)濾鏡具有更精確的反射和透射頻帶，特別是當(dāng)設(shè)計(jì)恰當(dāng)時(shí)，它們不會(huì)像吸收濾鏡那樣容易造成升溫，因?yàn)樗鼈兛梢苑瓷涞裟切┎槐匾牟ㄩL(zhǎng)的色光。二項(xiàng)色性濾鏡被廣泛應(yīng)用在光源、相機(jī)及天文器材等光學(xué)儀器中。

光學(xué)波長(zhǎng)計(jì)通常可由多至五臺(tái)法布里－珀羅干涉儀的組合來(lái)構(gòu)成，這些干涉儀的共振頻率兩兩具有10倍的間隔。待測(cè)光束被一面圓柱透鏡發(fā)散后，它在這些法布里－珀羅干涉儀中發(fā)生各自的干涉，所產(chǎn)生的亮紋的間距則被一臺(tái)CCD相機(jī)所記錄，由此可以確定入射光的波長(zhǎng)。

當(dāng)激光諧振腔采用平行平面腔的結(jié)構(gòu)時(shí)，它可認(rèn)為是一種法布里－珀羅干涉儀，雖然對(duì)于很多激光器而言，其中一面反射鏡的反射比可非常接近100%，從而這種諧振腔更像是一種Gires–Tournois干涉儀（Gires–Tournois etalon）。半導(dǎo)體激光器有時(shí)會(huì)采用法布里－珀羅干涉儀的幾何結(jié)構(gòu)。

法布里－珀羅標(biāo)準(zhǔn)具可用來(lái)產(chǎn)生單模激光。在沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)具的情況下，激光器產(chǎn)生的激光頻譜會(huì)出現(xiàn)展寬，從而使諧振腔內(nèi)的激光產(chǎn)生多種模式。使用標(biāo)準(zhǔn)具后，在精細(xì)度及自由光譜范圍都適當(dāng)?shù)那樾蜗驴梢砸种破渌Ｊ降漠a(chǎn)生，使諧振腔內(nèi)的激光工作在單模情形下。

在光譜學(xué)中法布里－珀羅標(biāo)準(zhǔn)具可以使光譜儀的分辨本領(lǐng)得到顯著提升，從而可以分辨出波長(zhǎng)差極細(xì)微的光譜線，例如塞曼效應(yīng)。

在天文學(xué)中法布里－珀羅標(biāo)準(zhǔn)具可以用來(lái)作為一種窄頻濾鏡，從原子躍遷的多條譜線中過(guò)濾出所需的譜線并使之成像，最常見(jiàn)的例子是太陽(yáng)的H-α線以及Ca-K線。

在引力波探測(cè)中，采用法布里－珀羅諧振腔可以用來(lái)在毫秒量級(jí)的時(shí)間上儲(chǔ)存光子，使其在諧振腔的反射鏡之間反復(fù)振蕩。這種做法增加了引力波探測(cè)器的干涉臂的有效長(zhǎng)度，從而提高了引力波探測(cè)器的靈敏度。這種原理被廣泛應(yīng)用在引力波探測(cè)器如LIGO和VIRGO上，它們的構(gòu)造都是帶有法布里－珀羅諧振腔的等臂邁克耳孫干涉儀，干涉臂長(zhǎng)度在幾千米的量級(jí)。同時(shí)這些探測(cè)器還采用了小型的諧振腔，這些諧振腔通常被稱作模式過(guò)濾器，它們可用于參與主激光的頻率穩(wěn)定工作。

在激光穩(wěn)頻中，法布里－珀羅諧振腔使用低膨脹系數(shù)的玻璃，具有穩(wěn)定的光學(xué)長(zhǎng)度，用來(lái)作為頻率穩(wěn)定的參考。

審核編輯：劉清