共焦干涉儀

共焦干涉儀是一種高解析度的光譜分析儀器。它特別適合分析雷射輸出模譜結構，監控單頻雷射輸出和探測鎖相效應，也可用來分析光譜線輪廓、超精細結構和同位素位移；它還可用作可調諧的窄帶通濾波器等。

基本介紹

• 中文名：共焦干涉儀
• 外文名：Confocal interferometer
• 領域：光學
• 屬性：光譜分析儀器
• 作用：分析光譜線輪廓等
• 套用：高解析度雷射光譜測量等

簡介

共焦干涉儀是一種高解析度的光譜分析儀器。它特別適合分析雷射輸出模譜結構，監控單頻雷射輸出和探測鎖相效應，也可用來分析光譜線輪廓、超精細結構和同位素位移；它還可用作可調諧的窄帶通濾波器等。

1958年，法國人柯勒斯（Connes）根據多光束的干涉原理，提出了一種共焦球面干涉儀。到了二十世紀60年代，這種共焦系統廣泛用作雷射器諧振腔。同時由於雷射科學的發展，迫切需要對雷射器的輸出光譜特性進行分析，於是在共焦球面干涉儀的基礎上發展了一種球面掃描干涉儀，這種干涉儀用壓電陶瓷作為掃描元件或用氣壓進行掃描。

工作原理

共焦干涉儀最大透過率的頻率就是干涉儀的共振頻率，它決定於相鄰相干光束的光程差。光程差正比於共振腔腔長，因而干涉儀透過波長是腔長的線性函式。若線性地改變腔長就可對波長進行線性掃描。干涉儀的透過光經光電轉換，光源的頻譜分布則可直接顯示在示波器的螢光屏上或記錄器上。

共焦干涉儀是一個無源腔，由兩塊球形凹面反射鏡構成，兩塊鏡的曲率半徑和腔長相等（即 ，構成共焦腔）。反射鏡一塊固定不動，另一塊固定在可隨外電壓變化而變化的壓電陶瓷環上。如圖所示，由低膨脹係數材料製成的間隔圈，用以保持兩球凹面反射鏡 總處於共焦狀態。壓電陶瓷環的特點是，當在環的內壁上加一定數值的電壓時，環的長度將會隨之發生變化，且長度的變化與外加電壓的幅度成線性關係，由於長度變化很小，僅為波長數量級，所以它不會改變腔的共焦狀態。

當一束波長為λ的光近軸入射到干涉儀內時，在忽略球差的條件下，在共焦腔中經四次反射走一閉合路徑，光程近似為 ，如圖

共焦干涉儀內部光路圖

光在腔內每走一個周期都會有部分光從鏡面透射出去，一束光將有1、1'兩組透射光，若m是光線在腔內往返的次數，則1組經歷了4m次反射後，1'組經歷了4m+2次反射. 設反射鏡的反射率為R，透射係為T，1、1’兩組透光強分別為

式中 是入射光強，β是往返一次所形成的位相差，即

u為腔內介質的折射率。

當β=kπ(k為任意整數)時即4uL=kλ，此時透射率有極大值。

共焦干涉儀腔體結構

2—反射鏡，3—針孔光欄，4—壓電陶瓷，5—光電接收放大器。

與通常的平面法珀干涉儀相比有如下優點：

(1)衍射損失小几個數量級；

(2)對反射鏡光圈的要求大大降低；

(3)對反射鏡平行性調整公差要求較低；

(4)與入射光束準直比較容易，可有較大的接收角。

共焦干涉儀與一般球面干涉儀相比主要優點是“模簡併”，與一般干涉儀不同，它並不需要與入射雷射束進行模匹配，它甚至不需要精確與入射雷射束同軸，而處於微離軸照明還避免了對雷射器的反饋效應。

技術參數

儀器的頻寬

儀器的頻寬 是指干涉儀透射峰的頻率寬度，也是干涉儀能分辨的最小頻差，通常反射鏡的反射率越高、調整精度越高、腔內損耗越小、則頻寬越窄. 為了分辨相隔很近的譜線. 要求干涉儀有足夠窄的頻寬.

精細常數

精細常數是用來表征掃描干涉儀分辨本領的參數，它的定義是：自由光譜範圍與最小分辨極限之比，即在自由光譜範圍內能分辨的最多的譜線數目，精細常數的理論公式為

式中R為凹面鏡的反射率，F只與鏡片的反射率有關。實際上精細常數還與共焦腔調整精度、鏡片加工精度以及掃描干涉儀的入射和出射光孔等因素有關。所以在實際套用中，F經常是由實驗來確定的。根據精細常數的定義

式中 是干涉儀所能分辨出的最小波長差， 是干涉儀所能分辨出的最小頻差，實驗中就是一個模的半值寬度，從展開的模譜中我們可以測出F的大小。

用途

（1）高解析度雷射光譜測量

（2）雷射器模式檢測與控制

（3）單模雷射器生產與檢測

（4）超聲振動探測（無損檢測）

（5）雷射陀螺生產與檢測

（6）超高頻時鐘信號提取/恢復（光纖通信）

（7）穩頻器

（8）鑒頻器

（9）濾波器