CN103457144A - 一种可调的高稳定f-p整体腔装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调的高稳定F-P整体腔装置，其包括信号源、与信号源相连的高压放大器、光源以及依次设置在光源出射光路上的光学隔离器和反射平面镜组、依次设置在反射平面镜组反射光路上的匹配透镜和F-P整体腔镜组；本发明能够大大降低谱线频率漂移量，而且F-P整体腔镜组是将固定第一平凹透镜和第二平凹透镜的镜架固定在基座顶部的V形槽中，大大降低其自由度，左右平移方向也被限制，大大提高了镜组的稳定性、检测的灵敏度与精度，既能达到方便调节的目的，又能满足稳定性的要求，操作方便，结构简单，为相关的物理实验提供了一种简便工具。

Description

一种可调的高稳定F-P整体腔装置

技术领域

本发明属于光学器件技术领域，具体涉及到一种可调的高稳定F-P整体腔装置。

背景技术

法布里-铂罗腔（F-P腔）是光谱学实验中常用到的一种物理装置，一方面作为标准具用于谱线频率定标；另一方面作为鉴频标准信号产生的主要工具之一用于激光频率的锁定，尤其是对于原子物理实验中经常用到的半导体激光器。除以上应用外，特别地，它还可以用于腔内吸收实验，优化吸收信号。

做法是将样品池（或吸收物质）置于腔内，激光注入腔内，光线在腔内通过两片高反射率镜片多次反射，其等效吸收长度为腔长和平均传播次数的乘积，从而增加了池内样品与光子作用的有效吸收光程，提高样品吸收信号的强度及信噪比，尤其是对于微弱信号。

一般地，法布里-铂罗腔可直接由一对平凹镜片组成，其中两镜片各被夹置于三维调节镜架内，然后两镜架相对平行放置且镜片凹面相对，并在距空间距离L后由螺钉固定或者直接胶粘于平板上，间距L的长度等于镜片的曲率半径，所用平板一般为石英平板。以高准直度的633nm为参考光源，通过镜架的螺丝调节，实现腔长匹配和光路闭合，从而实现开放式的光学F-P腔。此类开放式光学F-P腔虽然容易调节，但极易受外界环境干扰，造成复现性差，每次使用前需进行调节甚至是在使用过程中受振动、气流等都会对不利于光路闭合效果，给输出谱线的信噪比、对称度及精细度带来不利影响。此外，由于两镜架是固定在一平板上，其空间自由度很大，对于两镜架轴向光学中心的一致性，并不能完全保证，相应地，导致分别固定于镜架中的平凹镜片之间的中心位置在轴向上可能不一致，影响光路闭合，降低信号输出强度、谱线精细度等。考虑到其机械稳定性较差，易受到外界振动、气流等对镜架的干扰以及两镜片的中心轴向不一致等因素，后来设计了一种整体式F-P腔，具体地，腔体为中空的圆柱体设计，圆柱体上下底部各有一端盖，端盖中心处各开有一小孔，用于固定镜片，摒弃镜架的使用，通过胶粘方式使两镜片固定至小孔处，两镜片中心分别与腔体上下底部中心重合，并且两镜片间保持平行。腔体的上端盖用螺钉直接与中空圆柱体连接，下端盖较上端盖有一定厚度且表面加工有螺纹，腔体内壁螺纹和下端盖表面螺纹联接，通过轴向中心旋转下端盖调节其在腔体内部的进出位置完成腔长匹配。但此整体式F-P腔仍存在一些问题：一方面，虽然其稳定性相对于开放式F-P腔好，但是其可调程度受到很大限制，其光线的光路闭合很大程度上依靠操作者粘贴镜片的经验，以达到两片镜片绝对平行为目的，这对操作者是很大的挑战。并且由于采用胶粘方式，所以是一次性的过程，如果粘贴完的镜片间存在角度问题，需要去胶再重复操作，使实验操作复杂化，费时费力。另一方面，腔一体化的设计虽然保证了两平凹镜片在轴向中心一致，但这样的轴向中心一致性结果仅仅在下端盖没有进行旋转操作前成立，当实验中进行腔体匹配需要旋转下端盖时，下端盖中心区域的平凹镜片的中心位置随旋转螺纹变化，破坏了其与上端盖的平凹镜片在轴向中心上的一致，对光路闭合以及谱线强度输出、精细度都造成不利影响。此外，对于样品池吸收探测的物理实验，开放式光学F-P腔无法提供机械结构稳定、光学中心绝对一致的装载装置，而整体式光学F-P腔由于结构限制无法方便地将样品池置于腔内，并且一旦整体F-P腔完成光路闭合，镜片固定，腔内样品便无法从封闭的腔体内取出，对后期进一步操作带来困难，如样品池温度控制、位置调整等。

发明内容

为了克服现有技术中的F-P腔所存在的不足，本发明提供了一种能够方便使用、稳定性高、检测精度高的可调的高稳定F-P整体腔装置。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该可调的高稳定F-P整体腔装置包括信号源、与信号源相连的高压放大器、光源以及依次设置在光源出射光路上的光学隔离器和反射平面镜组、依次设置在反射平面镜组反射光路上的匹配透镜和F-P整体腔镜组；

上述反射平面镜组是相互平行的第一平面镜和第二平面镜构成，第一平面镜设置在光源出射光路上且与光源光轴之间的夹角为45°，第二平面镜设置在第一平面镜的下方且与第一平面镜平行；

上述F-P整体腔镜组为：在基座外设置有腔罩，腔罩的前端与后端分别加工有透光窗口，在基座顶部加工有V形槽，V形槽内依次设置有前三维调节镜架和后三维调节镜架，前三维调节镜架上设置有第一平凹透镜，后三维调节镜架上设置安装有压电陶瓷的套环，压电陶瓷上设置第二平凹透镜，第一平凹透镜的凹面与第二平凹透镜的凹面一侧相对且第一平凹透镜与第二平凹透镜的中心轴在同一条直线上，第一平凹透镜与第二平凹透镜的表面均镀有高反射膜，压电陶瓷通过导线与高压放大器相连。

上述第一平面镜与第二平面镜的中心间距是20～80mm。

上述第一平凹透镜与第二平凹透镜的凹面曲率半径均是100mm，其中心间距与透镜曲率半径相等。

上述第一平面镜与第二平面镜的高反射膜是由ZnS与MgF₂交替蒸镀11～13层所形成。

上述匹配透镜是平凸透镜，其凸面曲率半径为100～300mm，在匹配透镜的表面镀有增透膜，所述增透膜是MgF₂与TiO交替蒸镀12层形成。

上述V形槽的两侧之间的夹角α为45°。

上述基座的左右侧壁下端对称加工有矩形槽。

上述压电陶瓷呈中空圆柱状结构。

上述装置还包括样品池，样品池设置在前三维调节镜架与后三维调节镜架之间的基座上。

本发明所提供的可调的高稳定F-P整体腔装置，是将激光光源经过光学隔离器后通过45°高反射平面镜组调节激光光线方向，使激光光线经过匹配透镜在波前匹配优化后垂直且中心入射至F-P整体腔镜组（法布里-珀罗整体腔镜组）中，最终获得高增益、高信噪比的透射信号谱线，本发明能够大大降低谱线频率漂移量，与现有德国Toptica公司产的FPI100铝制整体腔相比，在相同条件下，一分钟的漂移量可由现有的200MHz降低到30MHz，而且F-P整体腔镜组是将固定第一平凹透镜和第二平凹透镜的镜架固定在基座顶部的V形槽中，大大降低其自由度，左右平移方向也被限制，保证镜架内两平凹镜片的轴向中心一致性，大大提高了镜组的稳定性、检测的灵敏度与精度，此外，基座上的腔罩可以活动，方便样品池的取放，有效增加了腔内吸收实验过程中的吸收光程，提高吸收信号强度，尤其是微弱吸收信号，因此本发明既能达到方便调节的目的，又能满足稳定性的要求，操作方便，结构简单，为相关的物理实验提供了一种简便工具。

附图说明

图1为实施例1的装置工作原理图。

图2为图1中F-P整体腔镜组5的结构示意图。

图3为图2中基座5-2的结构示意图。

图4为图2中腔罩5-1的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明，但是本发明不仅限于这些实施例。

实施例1

由图1可知，本实施例的可调F-P整体腔装置由光源1、光学隔离器2、第一平面镜3、匹配透镜4、F-P整体腔镜组5、高压放大器6、信号源7以及第二平面镜8联接构成。

本实施例的激光器作为光源1，发出波长为633nm的激光，在激光的出射光路上距离激光器10mm的位置安装有光学隔离器2，该光学隔离器2的中心波长650nm，适用波长范围630～700nm，透过率为75%，隔离度为30dB，在光学隔离器2的出射光路上距离光学隔离器220mm的位置安装有反射平面镜组，用以调整激光光路的光学中心，该反射平面镜组包括第一平面镜3和第二平面镜8，第一平面镜3安装在光学隔离器2的出射光路且与该出射光路形成45°的夹角，第二平面镜8安装在第一平面镜3的正下方，与第一平面镜3平行设置，第一平面镜3与第二平面镜8的间距是30mm，光线从第一平面镜3反射到第二平面镜8上，再从第二平面镜8反射出来，在第二平面镜8的反射光路上距离第二平面镜850mm的位置安装有匹配透镜4，用于优化波前匹配，该匹配透镜4为平凸透镜，其平面与第二平面镜8相对，其凸面的曲率半径是300mm，镜面直径为25mm，镜片厚度为3mm，在匹配透镜4表面镀有650nm的增透膜，该增透膜是氟化镁（MgF₂）和氧化钛（TiO）交替蒸镀12层所形成的，折射率为1.51680，在匹配透镜4的出射光路上安装有F-P整体腔镜组5。

参见图2至图4，本实施例的F-P整体腔镜组5是由腔罩5-1、基座5-2、前三维调节镜架5-3、第一平凹透镜5-4、第二平凹透镜5-5、压电陶瓷5-6、套环5-7以及后三维调节镜架5-8连接构成。

本实施例的基座5-2由整块超低热膨胀系数的殷钢加工而成，对温度变化不敏感，大大优于铝材料的热膨胀系数，其长为154mm，在基座5-2外罩一个壁厚为3mm的长方体腔罩5-1，将基座5-2上安装的元件封闭，与外部空气隔绝，在腔罩5-1的前端与后端加工有透光窗口，透光窗口上安装有石英片，供激光束高透射率通过，进入腔内。在基座5-2的顶部加工有夹角α为45°的V形槽、左右两侧壁距离底部6mm的位置分别加工有矩形槽，矩形槽高度为6.5mm，深度为8mm，便于将基座5-2固定在工作台面上。在V形槽内距离基座5-2前端口11.7mm的位置安装有前三维调节镜架5-3、距离基座5-2后端口11.7mm的位置安装有后三维调节镜架5-8，前三维调节镜架5-3与后三维调节镜架5-8的外形均为V形结构，与V形槽的内壁贴合，并用螺钉固定在V形槽上，在前三维调节镜架5-3上用螺钉固定有第一平凹透镜5-4，在后三维调节镜架5-8上固定安装有铝套环5-7，在套环5-7内卡嵌有压电陶瓷5-6，压电陶瓷5-6呈中空圆柱状结构，上下底部的内径均为5mm，外径均为10mm，外壁长度为7mm，压电陶瓷5-6通过导线与高压放大器6相连，高压放大器6通过导线与信号源7相连，该高压放大器6的增益为25dB，带宽为5KHz，输出电压为150V，信号源7输出幅度为500mV、频率为10Hz的三角波信号，通过高压放大器6传送到压电陶瓷5-6上，在压电陶瓷5-6的端口上用粘结胶粘接第二平凹透镜5-5，第一平凹透镜5-4与第二平凹透镜5-5的凹面相对，且第一平凹透镜5-4与第二平凹透镜5-5、压电陶瓷5-6以及腔罩5-1透光窗口的中心轴在同一条直线上分布，第一平凹透镜5-4与第二平凹透镜5-5保持相互平行且凹面曲率半径均是100mm，有效地提高了光束的干涉效应，其中心间距与曲率半径相等，提高了激光与腔体的匹配程度。在第一平凹透镜5-4与第二平凹透镜5-5的表面均镀有650nm的高反射膜，该高反射膜的材质是硫化锌（ZnS）和氟化镁（MgF₂），交替蒸镀11层所形成，能够对633nm激光的反射率R达到99.3%。

使用时，激光器出射激光，光路经过光学隔离器2、反射平面镜组以及匹配透镜4后，垂直通过F-P整体腔镜组5（即法布里-珀罗整体腔镜组），信号源7输出扫描频率10Hz，振幅500mV的三角波信号，利用高压放大器6将此信号放大后施加至F-P整体腔镜组5中的压电陶瓷5-6（简称PZT）上，驱动PZT工作，光路经过扫描的F-P整体腔镜组5，在镜组的透镜表面形成细且亮的等倾同心圆条纹，对应地，其透射信号通过光电检测为一系列等间隔且线宽很窄的谱线，这为相关的物理实验提供了一种简便工具。例如：①谱线定标，F-P腔输出透射谱线的自由光谱范围通过材料性能、腔长确定，即谱线间隔频率可知，从而可以其为标尺，测量实验物理信号，如原子的荧光信号、吸收信号；②激光频率锁定参考，若将F-P腔进行外部高度隔振及高精度的控温处理，则其输出谱线十分稳定，从而可以其为参考标准，将自由运转的激光器通过电子伺服控制系统锁定在F-P腔上。

实施例2

本实施例的激光器作为光源1，发出激光，在激光的出射光路上距离激光器10mm的位置安装有光学隔离器2，在光学隔离器2的出射光路上距离光学隔离器220mm的位置安装有反射平面镜组，该反射平面镜组包括第一平面镜3和第二平面镜8，第一平面镜3安装在光学隔离器2的出射光路且与该出射光路形成45°的夹角，第二平面镜8安装在第一平面镜3的正下方，与第一平面镜3平行设置，第一平面镜3与第二平面镜8的中心间距是20mm，光线从第一平面镜3反射到第二平面镜8上，再从第二平面镜8反射出来，在第二平面镜8的反射光路上距离第二平面镜850mm的位置安装有匹配透镜4，该匹配透镜4为平凸透镜，平面在第二平面镜8一侧，其凸面的曲率半径是200mm，镜面直径为25mm，镜片厚度为4mm，表面蒸镀有600nm的增透膜，该增透膜是氟化镁和氧化钛交替蒸镀12层所形成的，折射率为1.51680，在匹配透镜4的出射光路上安装有F-P整体腔镜组5。

本实施例的F-P整体腔镜组5中，在第一平凹透镜5-4与第二平凹透镜5-5的表面均镀有600nm的高反射膜，该高反射膜的材质是硫化锌和氟化镁，交替蒸镀12层形成，能够对633nm激光的反射率R达到99.5%。

本实施例的高压放大器6的增益为23dB，带宽为5KHz，输出电压为100V，信号源7输出幅度为100mV、频率为15Hz的三角波信号，通过高压放大器6传送到压电陶瓷5-6上。

其他的部件及其连接关系与实施例1相同。

实施例3

本实施例的激光器作为光源1，发出激光，在激光的出射光路上距离激光器10mm的位置安装有光学隔离器2，在光学隔离器2的出射光路上距离光学隔离器220mm的位置安装有反射平面镜组，该反射平面镜组包括第一平面镜3和第二平面镜8，第一平面镜3安装在光学隔离器2的出射光路且与该出射光路形成45°的夹角，第二平面镜8安装在第一平面镜3的正下方，与第一平面镜3平行设置，第一平面镜3与第二平面镜8的中心间距是80mm，光线从第一平面镜3反射到第二平面镜8上，再从第二平面镜8反射出来，在第二平面镜8的反射光路上距离第二平面镜850mm的位置安装有匹配透镜4，该匹配透镜4为平凸透镜，其凸面与第二平面镜8相对，曲率半径是100mm，镜面直径为40mm，匹配透镜4表面镀有700nm的增透膜，该增透膜是氟化镁和氧化钛交替蒸镀12层所形成的，在匹配透镜4的出射光路上安装有F-P整体腔镜组5，在F-P整体腔镜组5中，第一平凹透镜5-4与第二平凹透镜5-5的表面均镀有700nm的高反射膜，该高反射膜是硫化锌和氟化镁交替蒸镀13层形成，能够对633nm激光的反射率R达到99.5%。

本实施例的高压放大器6的增益为26dB，带宽为5KHz，输出电压为200V，信号源7输出幅度为1000mV、频率为20Hz的三角波信号，通过高压放大器6传送到压电陶瓷5-6上。

其他的部件及其连接关系与实施例1相同。

实施例4

在上述实施例1～3的前三维调节镜架5-3与后三维调节镜架5-8之间放置一个样品池9，用于腔内吸收实验，正入射进镜组的激光光束在镜面的多次反射下与样品池9进行多次反应，使得有效吸收光程得到大大增加，提高了吸收信号强度，尤其是微弱吸收信号。

其他的部件及其连接关系与相应实施例相同。

Claims (9)

1.一种可调的高稳定F-P整体腔装置，其特征在于：包括信号源（7）、与信号源（7）相连的高压放大器（6）、光源（1）以及依次设置在光源（1）出射光路上的光学隔离器（2）和反射平面镜组、依次设置在反射平面镜组反射光路上的匹配透镜（4）和F-P整体腔镜组（5）；

上述反射平面镜组是相互平行的第一平面镜（3）和第二平面镜（8）构成，第一平面镜（3）设置在光源（1）出射光路上且与光源（1）光轴之间的夹角为45°，第二平面镜（8）设置在第一平面镜（3）的下方且与第一平面镜（3）平行；

上述F-P整体腔镜组（5）为：在基座（5-2）外设置有腔罩（5-1），腔罩（5-1）的前端与后端分别加工有透光窗口，在基座（5-2）顶部加工有V形槽，V形槽内依次设置有前三维调节镜架（5-3）和后三维调节镜架（5-8），前三维调节镜架（5-3）上设置有第一平凹透镜（5-4），后三维调节镜架（5-8）上设置安装有压电陶瓷（5-6）的套环（5-7），压电陶瓷（5-6）上设置第二平凹透镜（5-5），第一平凹透镜（5-4）的凹面与第二平凹透镜（5-5）的凹面一侧相对且第一平凹透镜（5-4）与第二平凹透镜（5-5）的中心轴在同一条直线上，第一平凹透镜（5-4）与第二平凹透镜（5-5）的表面均镀有高反射膜，压电陶瓷（5-6）通过导线与高压放大器（6）相连。

2.根据权利要求1所述的可调的高稳定F-P整体腔装置，其特征在于：所述第一平面镜（3）与第二平面镜（8）的中心间距是20～80mm。

3.根据权利要求1所述的可调的高稳定F-P整体腔装置，其特征在于：所述第一平凹透镜（5-4）与第二平凹透镜（5-5）的凹面曲率半径均是100mm，其中心间距与透镜曲率半径相等。

4.根据权利要求1所述的可调的高稳定F-P整体腔装置，其特征在于：所述第一平面镜（3）与第二平面镜（8）的高反射膜是由ZnS与MgF₂交替蒸镀11～13层所形成。

5.根据权利要求1所述的可调的高稳定F-P整体腔装置，其特征在于：所述匹配透镜（4）是平凸透镜，其凸面曲率半径为100～300mm，在匹配透镜（4）的表面镀有增透膜，所述增透膜是MgF₂与TiO交替蒸镀12层形成。

6.根据权利要求1所述的可调的高稳定F-P整体腔装置，其特征在于：所述V形槽的两侧之间的夹角α为45°。

7.根据权利要求1所述的可调的高稳定F-P整体腔装置，其特征在于：所述基座（5-2）的左右侧壁下端对称加工有矩形槽。

8.根据权利要求1所述的可调的高稳定F-P整体腔装置，其特征在于：所述压电陶瓷（5-6）呈中空圆柱状结构。

9.根据权利要求1至8任一项所述的可调的高稳定F-P整体腔装置，其特征在于：所述装置还包括样品池（9），样品池（9）设置在前三维调节镜架（5-3）与后三维调节镜架（5-8）之间的基座（5-2）上。

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