掃描Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具及其在塞曼效應(yīng)等高分辨率光譜檢

1、實(shí)驗(yàn)四 掃描Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具及其在塞曼效應(yīng)等高分辨率光譜檢測(cè)中的應(yīng)用一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私釬P標(biāo)準(zhǔn)具的原理；掌握其調(diào)整、使用方法；利用氣壓掃描法測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)具的主要技術(shù)指標(biāo)；應(yīng)用該儀器測(cè)定塞曼效應(yīng)等。二、實(shí)驗(yàn)儀器、材料氣壓掃描Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具、單頻He-Ne激光器及其電源、硅光電池探測(cè)器、函數(shù)記錄儀或PC機(jī)、擴(kuò)束平行光管、電磁鐵及其電源、特斯拉計(jì)、筆形汞燈及其電源、聚光透鏡。三、原理1.FP干涉儀的簡(jiǎn)要描述FP干涉儀的核心是兩個(gè)平面性和平行性極好的高反射光學(xué)鏡面，它可以是一塊玻璃或石英平行平板的兩個(gè)面上鍍制的鏡面，也可以是兩塊相對(duì)平行放置的鏡片，即為空氣間隔，如圖1所示。前一種形

2、式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用時(shí)無(wú)需調(diào)整，比較方便，體積也小，但由于材料的均勻性和兩面加工平行度往往達(dá)不到很高水平，故性能不如后者優(yōu)良。用固定間隔來(lái)定位的FP干涉儀又常稱(chēng)為FP標(biāo)準(zhǔn)具。間隔圈常用熱膨脹系數(shù)小的石英材料(或零膨脹微晶玻璃)。它在三個(gè)點(diǎn)上與平鏡接觸，用三個(gè)螺絲調(diào)節(jié)接觸點(diǎn)的壓力，可以在小范圍內(nèi)改變二鏡面的平行度，使之達(dá)到滿意的程度。使用時(shí)常在干涉儀的前方加聚光透鏡，后方則用成象透鏡把干涉圖成象于焦平面上，如圖2所示。圖 1 FP干涉儀的多光束干涉圖 2 法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的使用FP干涉儀采用多光束干涉原理，關(guān)于多光束干涉的詳細(xì)理論可參閱有關(guān)專(zhuān)著，我們?cè)诖司椭苯永糜嘘P(guān)的一些關(guān)系式。設(shè)每一鏡面的反射率

3、都為R，透射率為，吸收散射等引起的損耗率為，則有(1)圖1中相鄰兩光束的光程差為(2)其中h為鏡面間隔距離，n為鏡間介質(zhì)折射率，為入射光束投射角，為光束在鏡面間的投射角。干涉條紋定域在無(wú)窮遠(yuǎn)，在反射中光強(qiáng)分布由下式?jīng)Q定：(3)在透射光中光強(qiáng)分布為(4)其中為入射角為a的入射光強(qiáng)；而F為相鄰光束的相位差，來(lái)自由(2)式表示的光程差D和兩次反射時(shí)的相位差變、：(5)其中、對(duì)金屬膜可認(rèn)為常數(shù)，對(duì)介質(zhì)膜來(lái)說(shuō)它們是零，下面我們不予考慮。所以對(duì)一定波長(zhǎng)的單色光，因入射角而變?？梢?jiàn)干涉極大的角分布是以鏡面法線為軸對(duì)稱(chēng)分布的。在圖1的成象透鏡焦面上得到一套同心環(huán)。干涉圖的圓心位置在通過(guò)透鏡光心的FP鏡面法線上

4、。當(dāng)鏡面的吸收率可忽略時(shí)，(3)、(4)式簡(jiǎn)化為：(6)(7)它們的分布圖如圖3所示，可見(jiàn)反射光是亮背景上的暗環(huán)，透射光是暗背景上的亮環(huán)，兩者是互補(bǔ)的，其和等于入射光強(qiáng)。圖 3 透射光和反射光根據(jù)(4)或(7)式透射光強(qiáng)在光程差滿足以下條件的角方位上有極大值：(8)其中為干涉級(jí)次，是正整數(shù)。2.FP干涉儀的技術(shù)參數(shù)FP干涉儀作為光譜儀器，其主要參數(shù)是：(1)角色散和線色散；(2)不重迭光譜范圍；(3)峰值透過(guò)率；(4)襯比因子；(5)分辨率、儀器寬度和細(xì)度。其中(3)、(4)、(5)三項(xiàng)是衡量FP干涉儀質(zhì)量的主要指標(biāo)，而尤以(5)為最重要。把(8)式對(duì)微分，可得角色散為：(9)可見(jiàn)角色散與鏡間

5、距離和反射膜性質(zhì)無(wú)關(guān)，當(dāng)入射角0時(shí)，負(fù)號(hào)表示增大時(shí)，相應(yīng)的透射光束變小。玻璃平行平板()FP標(biāo)準(zhǔn)具比空氣板標(biāo)準(zhǔn)具的角色散約大倍。在成象透鏡焦面上所得干涉圈的線色散顯然為：(10)式中f為透鏡焦距，r為干涉環(huán)半徑。把(8)式對(duì)微分，把l作為常數(shù)，再令，可得相鄰干涉級(jí)次間的角間隔(11)焦面上單色光相鄰干涉環(huán)的間距為：(12)可見(jiàn)鏡間距離增大時(shí)，干涉環(huán)的間隔距離就縮??；成象透鏡焦距f增大時(shí)，干涉環(huán)間隔迅速增大。為了得到便于觀察的干涉圖，需選用焦距適當(dāng)?shù)某上笸哥R。當(dāng)采用有限空間分辨率的探測(cè)器探測(cè)時(shí)，應(yīng)采用適當(dāng)焦距的透鏡來(lái)獲得必要的線色散，可以看出，把探測(cè)器置于干涉環(huán)中心(，)是有利的。不重迭光譜范圍

6、亦稱(chēng)自由光譜區(qū)，就是當(dāng)一個(gè)波長(zhǎng)l的第級(jí)次干涉極大與另一波長(zhǎng)()的第()級(jí)次重迭時(shí)，兩者的波長(zhǎng)差，由上面的討論，應(yīng)有(13)根據(jù)(9)和(11)式(14)分母中第三項(xiàng)不大，可忽略，小角度時(shí)也很小。這時(shí)：(15)若用頻率表示，則為若用波數(shù)表示，則為(16)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，只取決于鏡間光程。如果入射光中各譜線成分的間隔大于不重迭區(qū)時(shí)，就會(huì)發(fā)生干涉圖重迭，不能確定它們干涉級(jí)次的相對(duì)高低，從而不能確定其波長(zhǎng)差。相反，如果入射光中的譜線間隔比自由光譜區(qū)小得多，就不易被分辨開(kāi)。所以鏡間距應(yīng)根據(jù)研究對(duì)象的光譜范圍來(lái)選擇。例如，塞曼效應(yīng)中，汞5461Å譜線的塞曼分裂可達(dá)0.75Å，故選用2mm的

7、鏡間隔。由(4)和(7)式可見(jiàn)，干涉儀的峰值透過(guò)率為(17)可見(jiàn)，隨著趨向零，而當(dāng)一定時(shí)，隨反射率R的增大，減小，如圖4所示。為了不過(guò)分損失透射強(qiáng)度，反射率不能取太高。透射光極小值則為：(18)干涉儀的重要指標(biāo)之一 襯比因子C(亦稱(chēng)對(duì)比度)為：(19)圖 4 與和R的關(guān)系可見(jiàn)對(duì)比度主要取決于反射率R，隨R增大而急劇增大。由于最小透射并不是零，所以強(qiáng)譜線的背景透射可能淹沒(méi)弱譜線的透射峰，對(duì)比度反映了譜線之間可能的最大隔離程度。一般FP干涉儀對(duì)于理想單色光透射光強(qiáng)減到峰值一半所對(duì)應(yīng)的相位寬度是不大的，(7)式分母中兩項(xiàng)相等時(shí)就是求得的條件，其中取可得(20)透射峰半高處寬度除以相鄰峰間距就是細(xì)度。

8、相鄰級(jí)次的干涉峰相應(yīng)于2位相差，所以FP干涉儀的細(xì)度為：(21)可見(jiàn)細(xì)度由反射率決定而與h無(wú)關(guān)，這里是假定兩鏡面是理想的平行平面，故稱(chēng)為反射率細(xì)度。圖5曲線1表示(21)式所示的關(guān)系。細(xì)度越大，分辨緊鄰譜線的能力當(dāng)然越強(qiáng)，但不能靠無(wú)限制地提高來(lái)提高細(xì)度。細(xì)度嚴(yán)重地受限于鏡面的平面度和平行度。平行度往往可以調(diào)整，盡量調(diào)到最佳，但平面度卻受限于工藝技術(shù)，不可能達(dá)到理想狀態(tài)，這往往是限制細(xì)度的主要原因。圖 5 F和R關(guān)系由于有平面誤差和平行誤差。所以在全孔徑范圍內(nèi)，h是坐標(biāo)(x,y)的函數(shù)。鏡面的平面平整度通常用全孔徑范圍內(nèi)以波長(zhǎng)表示的最大起伏來(lái)表示，例如、等。用單色平行光束垂直鏡面投射時(shí)，由于各處

9、h略有差別，就不能同時(shí)滿足干涉透射峰的條件。如果h的起伏較大，掃描過(guò)程中透射光只以等厚條紋的形式出現(xiàn)，掃過(guò)全孔徑。h起伏小時(shí)，可能全孔徑同時(shí)有透射光，但各處達(dá)到峰值的時(shí)刻可有不同。由于各處峰值叉開(kāi)，就必然使全孔徑的透射峰加寬和畸變，使峰值和細(xì)度都減小。平整度誤差為的一對(duì)鏡片，對(duì)應(yīng)的干涉光束有的光程差起伏，就會(huì)引入附加“平整度細(xì)度”為：(22)另外，由于探測(cè)器的有限空間分辨率，也會(huì)影響到實(shí)際的細(xì)度，例如，在FP干涉儀成象透鏡焦面上的干涉環(huán)的中心設(shè)置一個(gè)直徑為d的小孔光闌，探測(cè)通過(guò)小孔的光，有限大小的小孔光闌會(huì)引入附加的“小孔細(xì)度”(pinhole finesse)：(23)考慮到反射率細(xì)度、平整

10、度細(xì)度、小孔細(xì)度，儀器的綜合細(xì)度滿足：(24)為了使小孔細(xì)度不明顯影響綜合細(xì)度，可選用d足夠小的小孔光闌和焦距f較大的成象透鏡。通常對(duì)的主要限制來(lái)自。圖5中曲線2、3、4表示了這種限制?？梢?jiàn)鏡面平面度對(duì)FP干涉儀的細(xì)度有著決定性影響。縮小標(biāo)準(zhǔn)具的使用面積，可以減小平面誤差的影響，提高。當(dāng)光束截面很小時(shí)，可忽略的影響，使，能達(dá)到很高的值。縮小使用面積帶來(lái)的不良影響是減少了標(biāo)準(zhǔn)具的集光本領(lǐng)，同時(shí)使不垂直入射的光束在多次反射時(shí)，很快偏到孔徑以外，減少了干涉光束數(shù)，從而使分辨率隨入射角的增大而迅速減小。如果兩個(gè)單色光和()的峰值間隔正好為(20)式所示的，則稱(chēng)為干涉儀本身的儀器寬度。取(5)式對(duì)的微分

11、，再利用(20)式，即可得(25)儀器寬度就等于自由光譜區(qū)除以細(xì)度。用波數(shù)表示儀器寬度為：(26)可見(jiàn)，儀器寬度的波數(shù)值與細(xì)度和鏡間距離h成反比。儀器的分辨本領(lǐng)為：(27)可見(jiàn)分辨本領(lǐng)與細(xì)度F成比例，與干涉級(jí)次m或鏡間距離h成比例。然而h增大時(shí)，使干涉環(huán)直徑及環(huán)間隔都減小，使不重迭光譜范圍減小，使干涉儀的調(diào)整變得困難。綜上所述，對(duì)于鏡間介質(zhì)折射率確定的FP干涉儀的角色散是一致的；線色散取決于成象透鏡的焦距；不重迭光譜范圍反比于鏡間距離；峰值透過(guò)率和襯比因子取決于鏡面反射膜的反射率和損耗率；儀器寬度和分辨本領(lǐng)取決于鏡間距離和細(xì)度的乘積；對(duì)于理想的平行平面，F(xiàn)P干涉儀，細(xì)度僅取決于反射率，在實(shí)際情

12、況下，儀器能達(dá)到的細(xì)度受限于鏡面的平面平整度和平行度以及接受小孔光闌的直徑。在應(yīng)用FP標(biāo)準(zhǔn)具時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體要求選擇鏡間間隔、鏡面反射率、細(xì)度及成象透鏡焦距。反映FP干涉儀質(zhì)量的指標(biāo)主要是峰值透過(guò)率、襯比因子C和綜合細(xì)度，而以細(xì)度尤為重要。其他還有溫度穩(wěn)定性、抗振性能等。在FP干涉儀中，使鏡面具有高反射率和低損耗率是很關(guān)鍵的。金屬膜制備簡(jiǎn)單，高反射率的光譜范圍大，但光的損耗率也大，銀膜在紅光和黃光區(qū)域的反射率可達(dá)95，但在紫光區(qū)域就比較差了，到3100Å左右，降到接近零。鋁膜在紅光和黃光區(qū)域反射率接近銀膜，對(duì)于波長(zhǎng)較短的光，鋁膜優(yōu)于銀膜，可一直用到2000Å?，F(xiàn)在多層介質(zhì)膜技

13、術(shù)可以容易制得R在99以上的高反射膜，而損耗0.2。高反射率的光譜帶寬通常約為1000Å左右，采用特殊寬帶膜系可得更寬的高反射帶寬。究竟采用多大的R，取決于要求有多大的和由及R決定的。采用多層介質(zhì)膜時(shí)還應(yīng)注意膜層應(yīng)力對(duì)平鏡平面度的不良影響。3.干涉光譜的觀測(cè)和記錄方法可采用目視或照相法。目視法一般用目視測(cè)量顯微鏡進(jìn)行。方便直觀，但易引入主觀測(cè)量誤差，不能作干涉光譜的強(qiáng)度測(cè)量，不能得到原始可保存資料；采用照相法時(shí)應(yīng)注意選用焦距適當(dāng)?shù)恼障噻R頭。也可以用攝象機(jī)攝下干涉圖，在顯示屏幕上對(duì)干涉圖進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這樣可免除拍照和暗室沖洗的煩瑣。采用目前流行的CCD攝象機(jī)具有小巧方便和附加畸變小的優(yōu)

14、點(diǎn)，但其象素有限，同時(shí)，干涉圖愈向外圈，色散愈小，分辨本領(lǐng)和光強(qiáng)也都愈小。下面著重介紹掃描光電記錄法。由FP干涉儀的程差表示式可知，改變鏡間距離h、改變鏡間氣體壓強(qiáng)從而改變折射率n以及改變角度都可以改變程差，從而實(shí)現(xiàn)干涉光譜的掃描。改變傾角法通常是轉(zhuǎn)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)具本身，在成象透鏡焦平面上設(shè)置一段短狹縫光闌，隨著標(biāo)準(zhǔn)具法線取向的變化，使整套干涉環(huán)在垂直狹縫光闌的方向過(guò)中心地掃過(guò)狹縫光闌。光電探測(cè)器接收通過(guò)光闌的光強(qiáng)。這種方法容易實(shí)施，容易掃過(guò)多個(gè)干涉級(jí)次，適用于h和n不易改變的實(shí)心介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)具。其缺點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)具的角色散的非線性使掃描也是非線性的；不能利用干涉圈中心色散最大處；傾角大時(shí)，干涉光束數(shù)目減少，從

15、而分辨率下降。較好的辦法是掃描h或n，這時(shí)干涉環(huán)的圓心位置不變，而從中心冒出(h或n增大)或湮滅(h或n減小)，同時(shí)探測(cè)通過(guò)中心小孔光闌的光強(qiáng)，得到如圖3所示的信號(hào)。這樣能利用中心色散最大處；掃描是線性的；分辨率是一致的。改變h可用精密絲桿勻速移動(dòng)一面鏡子來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這種方法穩(wěn)定性差，一般不采用。通常把干涉儀的一面鏡子固定在可以伸縮的支承材料上。這種伸縮可以是壓電伸縮或磁致伸縮，也可以熱脹冷縮(這時(shí)需把干涉儀置于溫度可均勻而線性變化的溫室內(nèi))，這類(lèi)方法操作方便，其中壓電伸縮用得最多。主要缺點(diǎn)是在改變h時(shí)，不易保持兩鏡嚴(yán)格的，同時(shí)必須有一鏡是可動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)，使其機(jī)械穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性降低。但采取嚴(yán)格

16、措施，還是能達(dá)到滿意的程度。改變鏡間氣壓來(lái)掃描干涉光譜是廣泛采用的最簡(jiǎn)單而可靠的方法，它不會(huì)破壞兩鏡的平行性，采用固定間隔環(huán)的FP標(biāo)準(zhǔn)具的穩(wěn)定性好，對(duì)振動(dòng)干擾不大敏感，容易做到較好的線性慢掃描。這種方法的局限性在于氣壓不能很快改變，故不適合研究波長(zhǎng)和光強(qiáng)較快漂變的光源；還有必須有足夠的鏡間間隔，才能方便地實(shí)現(xiàn)幾個(gè)干涉級(jí)次的掃描范圍。讓我們來(lái)估算一下，改變氣壓時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)具光學(xué)厚度的相應(yīng)改變有多大。理論和實(shí)驗(yàn)都表明，在相當(dāng)大的氣壓范圍內(nèi)，氣體折射率n與氣體密度有很好的線性關(guān)系，在溫度T不變時(shí)與氣壓P也有線性關(guān)系：(28)其中A、A”和A為常數(shù)。光束入射角接近0°時(shí)，干涉級(jí)次為，氣壓改變P時(shí)

17、，干涉級(jí)次的改變?yōu)椋?29)如果采用空氣，在標(biāo)準(zhǔn)條件下，當(dāng)5500Å，h2mm，P2大氣壓時(shí)，能掃過(guò)干涉級(jí)次m4.262。氣壓掃描的具體做法是把FP標(biāo)準(zhǔn)具置于兩端有通光窗口的密閉容器中。一般常用機(jī)械真空泵抽空容器內(nèi)氣體。然而，從氣源通過(guò)毛細(xì)管對(duì)容器充氣。這時(shí)隨著nh的增大，干涉環(huán)從中心冒出，擴(kuò)大。如果氣源的壓強(qiáng)比掃描時(shí)氣壓的改變量大得多，可近似地認(rèn)為充氣流量是恒定的，則n隨時(shí)間的變化也是線性的：(30)但要得到較好的線性，抽氣、充氣系統(tǒng)并不簡(jiǎn)單方便，同時(shí)毛細(xì)管易被塵埃等堵積而改變流量，要想改變掃描速度也不方便。在我們的儀器中，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的封閉壓縮泵來(lái)改變?nèi)萜鲀?nèi)的氣壓。容器上裝有半

18、導(dǎo)體壓力傳感器，直接輸出與氣壓成線性關(guān)系的電壓信號(hào)，作為記錄儀的X坐標(biāo)信號(hào)。由可知，對(duì)于確定的單色光，就得到干涉級(jí)次的線性掃描，而在同一級(jí)次中的就得到對(duì)不同波長(zhǎng)的線性掃描。記錄儀Y軸的信號(hào)來(lái)自小孔光闌后的光電探測(cè)器。圖6就是記錄得到的光譜。如果采用譜線寬度很窄的單色光，例如單縱模激光，則其透射峰就能反映儀器寬度，以半峰值處的寬度除以峰峰距離就得到細(xì)度。但一般光譜燈的譜線本身有量級(jí)的頻寬，其透射峰是儀器線形與譜線線形的卷積。圖 6 單色光的光電掃描光譜作為封閉壓縮系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器的步進(jìn)電機(jī)的步速可方便地改變，從而改變氣壓掃描速度，同時(shí)儀器中采用了反饋控制，使氣壓掃描速度接近恒定，避免封閉壓縮系統(tǒng)的空間

19、縮小時(shí)，恒定的步速使氣壓上升速度越來(lái)越快，導(dǎo)致信號(hào)探測(cè)和處理中時(shí)間響應(yīng)的不一致。用氣壓傳感器的氣壓信號(hào)作為正比于氣體折射率的信號(hào)，其前提是系統(tǒng)的溫度應(yīng)保持不變。在儀器結(jié)構(gòu)上已盡量使溫度變化微小，同時(shí)在使用中，掃描速度慢能使溫度變化更小。另外，氣壓掃描時(shí)，氣室外殼會(huì)發(fā)生微小形變，已采取措施有效地隔離了這種形變對(duì)鏡片的影響，否則，氣壓掃描FP干涉儀將不能正常工作。光強(qiáng)信號(hào)的探測(cè)器應(yīng)根據(jù)光信號(hào)的強(qiáng)度和波長(zhǎng)合理選擇。強(qiáng)光時(shí)，如用He-Ne激光，可采用硅光電池，工作波長(zhǎng)范圍為0.41.1m，不需要供給其他工作電壓。但應(yīng)注意，光電池的短路光電流才與光信號(hào)強(qiáng)度有線性關(guān)系，所以采用的信號(hào)放大器輸入阻抗必須是極

20、小的，我們的儀器中是滿足此要求的。弱光時(shí)，如各種光譜燈，可采用光電倍增管，應(yīng)選靈敏波長(zhǎng)范圍合適的型號(hào)、無(wú)光時(shí)的暗電流小的器件。光電倍增管的倍增率與所供給的負(fù)高壓關(guān)系很大，調(diào)節(jié)負(fù)高壓可在相當(dāng)大的范圍內(nèi)，改變輸出光電信號(hào)的大小，同時(shí)要求負(fù)高壓要足夠穩(wěn)定，否則光電信號(hào)將會(huì)產(chǎn)生明顯的漂移或抖動(dòng)。數(shù)據(jù)記錄可以采用XY記錄儀，也可通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換接口輸入到PC機(jī)，用專(zhuān)用軟件來(lái)顯示掃描曲線和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.調(diào)整儀器系統(tǒng)圖 7 通常觀測(cè)平行度方法LS線光譜光源；聚光透鏡；IF干涉濾光片；FP標(biāo)準(zhǔn)具；Eye眼睛把儀器調(diào)整到最佳狀態(tài)是實(shí)驗(yàn)取得優(yōu)良效果的基礎(chǔ)，同時(shí)能加深對(duì)儀器原理和功能的認(rèn)識(shí)，學(xué)會(huì)正確而

21、巧妙地使用儀器，這對(duì)提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰κ种匾?。在FP干涉儀的實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)注意如何調(diào)節(jié)兩鏡的平行度，如何求取平面度最好的部位用于實(shí)驗(yàn)，如何正確地把小孔光闌設(shè)置到干涉圖的中心，如何正確照明來(lái)獲取最強(qiáng)信號(hào)。在掃描型的FP干涉儀中，可利用其掃描特點(diǎn)，把調(diào)整工作巧妙地做得特別卓越。通常調(diào)節(jié)FP鏡對(duì)的平行度方法，如圖7所示。采用單色光照明干涉儀，眼睛一邊觀察干涉儀，一邊向某一方向移動(dòng)，如果移動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)環(huán)從中心冒出并擴(kuò)大，說(shuō)明沿此方向鏡間距在增大，應(yīng)調(diào)節(jié)相應(yīng)螺旋，糾正之。實(shí)踐證明，這樣的調(diào)節(jié)效果往往還不盡人意，在本實(shí)驗(yàn)中，利用成象透鏡焦面小孔光闌組件，可選出一束通過(guò)FP干涉儀的平行光束來(lái)觀察，如圖8所示。這樣觀察到

22、的是等厚干涉條紋。在增加氣壓時(shí)，條紋將向鏡間距小的方向移動(dòng)，這樣我們可以很明確地知道該調(diào)哪個(gè)螺旋，如何調(diào)。隨著平行度的改善，等厚條紋會(huì)變寬、變彎曲，變成寬大的亮斑，如圖8中(a)、(b)、(c)所示。設(shè)想一對(duì)理想的平行平鏡，其鏡間距處處相等，等厚干涉條件各處一樣，在掃描氣壓時(shí)，整個(gè)孔徑內(nèi)亮暗應(yīng)均勻分布，在透射峰時(shí)呈現(xiàn)的干涉圖是一均勻亮場(chǎng)。由于不平行，才會(huì)導(dǎo)致掃描時(shí)等厚干涉圖的定向橫向移動(dòng)，這提供了極其敏感的平行度指示。平行度調(diào)到最佳后，由于鏡面必定存在平面度誤差，所以透射峰時(shí)仍不是均勻亮場(chǎng)。從以上的觀察和調(diào)節(jié)，可以直觀地領(lǐng)會(huì)到平鏡平行度和平面度對(duì)儀器細(xì)度和峰值透過(guò)率的決定性影響。圖 8 掃描法

23、觀測(cè)平行度LS線光譜光源；聚光透鏡；成象透鏡；IF干涉濾光片；Ph小孔光闌；Eye眼睛焦面上小孔光闌設(shè)置于干涉環(huán)的中心是最有利的，但有時(shí)所研究的光源亮度較低，難以清晰地看清干涉環(huán)，為此，我們的儀器在小孔光闌后方設(shè)置了一個(gè)可移動(dòng)的發(fā)光二極管，可把它移到正對(duì)小孔，使光向前經(jīng)成象透鏡投射到FP鏡上，再反射回來(lái)，又在焦面上成一亮點(diǎn)，如圖9所示，調(diào)整FP干涉儀的方位，使該亮點(diǎn)與小孔重迭，就保證了小孔光闌位于干涉環(huán)的正中心。調(diào)畢，把發(fā)光二極管關(guān)閉并移開(kāi)，不妨礙光電探測(cè)器接收信號(hào)。圖 9 調(diào)整干涉環(huán)中心為了在記錄儀或計(jì)算機(jī)屏幕上顯示大小適中的信號(hào)曲線，除了在記錄儀或計(jì)算機(jī)上選擇設(shè)置合適的靈敏度以外，對(duì)X軸的

24、氣壓(波長(zhǎng))信號(hào)，還可在“掃描控制器”上連續(xù)調(diào)節(jié)氣壓模擬信號(hào)的“輸出調(diào)節(jié)”；對(duì)Y軸光強(qiáng)信號(hào)，還可調(diào)節(jié)光源的光強(qiáng)、光電倍增管電壓、光電流放大器倍率或“輸出調(diào)節(jié)”來(lái)得到合適的信號(hào)強(qiáng)度。2.FP干涉儀主要參數(shù)的測(cè)定(1)兩鏡相對(duì)平面度的估測(cè)在我們的掃描干涉儀中，真正起作用的是干涉圖中心的光強(qiáng)，而這部分光能量來(lái)自于垂直鏡面的光束干涉迭加。由于兩鏡面不是理想的平行平面，鏡面不同位置(x,y)的鏡間距h(x,y)不盡一致，所以滿足干涉極大的條件不一致，設(shè)(,)處在氣壓時(shí)達(dá)到極大，(,)處在時(shí)達(dá)到同一級(jí)次的極大，這意味著，根據(jù)(28)、(29)式可得這兩處的鏡間距差為：(31)其中P是對(duì)應(yīng)于相鄰兩個(gè)干涉級(jí)次

25、峰的氣壓差，它等價(jià)于h相差。利用圖8所示的觀察方法，掃描氣壓時(shí)，可測(cè)得通光孔徑中不同位置在同一干涉級(jí)次達(dá)到干涉極大的相應(yīng)氣壓，從而可估測(cè)出鏡間距的最大偏差，在平行度調(diào)到最佳的情況下，就表示兩平鏡的“相對(duì)平面度”。如采用擴(kuò)束平行激光束照明，因其譜線寬度窄，估測(cè)效果會(huì)更好。但應(yīng)注意，這時(shí)眼睛不能直接對(duì)著小孔觀察，可在干涉儀前加一毛玻璃來(lái)散射光束，或在小孔后設(shè)置一白屏，觀察透射光斑。這時(shí)往往還可看到相應(yīng)于不同縱模的條紋。(2)細(xì)度的測(cè)定用擴(kuò)束平行單頻激光垂直照明干涉儀，用硅光電池探測(cè)通過(guò)焦面上小孔光闌的光強(qiáng)，氣壓掃描時(shí)用記錄儀或計(jì)算機(jī)記錄掃描曲線，測(cè)定兩相鄰峰之間距離以峰半高處寬度，即為細(xì)度。實(shí)驗(yàn)系

26、統(tǒng)如圖10所示。在光路中用不同直徑的光闌截取或大或小的光束截面，可測(cè)得不同的細(xì)度，這是由于所利用鏡面面積小時(shí)，一般說(shuō)來(lái)“相對(duì)平面度”也好(小)，使細(xì)度增加。如果在干涉儀前方置一黑紙片做的特異形狀的光闌，擋住透射峰時(shí)不亮的鏡面部分，會(huì)明顯提高儀器的細(xì)度，而并不降低透射峰值。這能顯著改善光譜測(cè)量時(shí)的分辨本領(lǐng)。(3)峰值透射率的測(cè)定用擴(kuò)束平行單頻激光垂直照明干涉儀，用小于或等于干涉儀通光孔徑的光闌截取一束光，使之落入干涉儀的通光孔徑，用硅光電池探測(cè)通過(guò)焦面上小孔光闌的光強(qiáng)，掃描氣壓，測(cè)得透射峰，移去干涉儀，再測(cè)得照明光束的強(qiáng)度，則峰值透射率。移去干涉儀時(shí)，光束方向會(huì)有所改變，需調(diào)整探測(cè)組件的方位才能

27、測(cè)得。因激光強(qiáng)度會(huì)漂移起伏，因此用探測(cè)器D2監(jiān)測(cè)其相對(duì)變化。由于平鏡非理想平行平面，故在不同位置、用不同截面的光束所測(cè)得的會(huì)有所不同。圖 10 測(cè)定參數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置(4)對(duì)比度的測(cè)定用擴(kuò)束平行單頻激光照明干涉儀，把干涉儀掃描到透射極小狀態(tài)，停止掃描。把面積為的較大孔徑光闌置于光路中，測(cè)定透射極小時(shí)的光通量的相對(duì)值，這時(shí)因?yàn)楹苋?，而較大，應(yīng)嚴(yán)格遮蔽雜散光，同時(shí)用6328Å的窄帶干涉濾光片擋住激光器的各種其他波長(zhǎng)的自發(fā)輻射。再換面積較小的孔徑光闌，測(cè)定透射極大時(shí)的光通量的相對(duì)值，即可求得對(duì)比度：(32)之所以用孔徑光闌、，是為了使探測(cè)器面對(duì)的信號(hào)強(qiáng)度不要太懸殊。3.空氣折射度的測(cè)定掃描幾個(gè)干

28、涉級(jí)次，從氣壓表上讀出第一和最后干涉極大所對(duì)應(yīng)的氣壓和，根據(jù)已知的標(biāo)準(zhǔn)具間隔h，按(29)式求得系數(shù)A，我們所用的是普通空氣，所以A即為實(shí)驗(yàn)溫度下的空氣折射率小數(shù)。4.光譜燈譜線輪廓和超精細(xì)結(jié)構(gòu)的測(cè)定用光譜燈和聚光透鏡取代激光器和擴(kuò)束平行光管，用干涉濾光片或單色儀濾出一條譜線，用光電倍增管探測(cè)通過(guò)干涉圖中心小孔光闌的光通量，掃描記錄該譜線，可得到譜線的輪廓、寬度和超精細(xì)結(jié)構(gòu)的分布。由此可進(jìn)一步得到發(fā)光原子的能態(tài)和所處環(huán)境的信息。圖11是汞5461Å譜線用2mm間隔的FP干涉儀得到的結(jié)構(gòu)?？杀容^筆形汞燈、低壓汞燈及高壓汞燈的譜線輪廓和寬度。圖 11 汞5461Å譜線結(jié)構(gòu)5.塞

29、曼效應(yīng)的的測(cè)定“塞曼效應(yīng)”是高校理科“近代物理實(shí)驗(yàn)”中的基本實(shí)驗(yàn)之一，塞曼和洛侖茲由于這方面的研究獲得了1902年諾貝爾物理獎(jiǎng)。至今它仍是研究原子、分子的重要手段，在應(yīng)用方面，它被用于準(zhǔn)確而靈敏的磁場(chǎng)測(cè)量、原子頻率標(biāo)準(zhǔn)(原子鐘)以及有關(guān)激光和微波激射器的多種應(yīng)用技術(shù)中。關(guān)于塞曼效應(yīng)的原理，所有有關(guān)原子物理和光學(xué)的教科書(shū)以及各種“近代物理實(shí)驗(yàn)”教材上都有詳細(xì)的介紹。從實(shí)驗(yàn)的角度，做好“塞曼效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于分辨率高而工作穩(wěn)定的分光儀器，利用氣壓掃描FP標(biāo)準(zhǔn)具能完美地完成該實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)者應(yīng)從完成實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，深入領(lǐng)會(huì)FP干涉儀的原理，掌握用好這類(lèi)干涉儀的技巧，并觸類(lèi)旁通地理解這類(lèi)具有更廣泛意義的高分辨光譜和高靈敏光學(xué)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)技能。圖12是塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置安排。在開(kāi)始調(diào)整儀器時(shí)，可拿開(kāi)偏振片，使光強(qiáng)較大；同時(shí)取下光電倍增管而直接用眼睛通過(guò)焦面小孔光闌觀察。調(diào)整好FP干涉儀后，取下焦面小孔光闌，可目視觀察無(wú)磁場(chǎng)和有磁場(chǎng)時(shí)氣壓掃描的等傾干涉圖；裝上帶小孔光闌的光電倍增管組件即可進(jìn)行光電記錄，必要時(shí)可采用前面介紹的方法，保證光闌