何为法布里-珀罗干涉仪？

法布里-珀罗（Fabry-Perot，FP）干涉仪是一种光谱分析仪，主要用于检查连续激光器光谱特性的精细结构。FP干涉仪基于光学谐振腔的原理工作，普通的法布里-珀罗谐振腔（以下简称FP腔）由两个严格平行的平面反射镜构成。然而，这种结构要求入射光严格准直且模式匹配，存在稳定性差、调节困难、衍射损耗高等弊端。因此，当前FP腔多采用共焦结构设计，包含两个曲率半径相等的高反射率凹面镜，且两个反射镜的间距 d 和曲率半径 R 相同。共焦FP腔的结构拥有“模简并”的特性，不需要与入射激光束进行模式匹配，且在操作使用上更容易调节对准。

图1 共焦法布里－珀罗谐振腔的示意图

图中，红色实线表示在高度H处进入谐振腔的离轴输入光束的光线轨迹。

当光入射到谐振腔内，光束会在两个反射镜之间大量往返传播，形成多光束干涉。只有满足谐振条件的光束能够通过，并形成尖锐的透射峰。这意味着，FP腔只能透过特定波长的光。这就引出了为什么需要“扫描式”的法布里-珀罗干涉仪。

固定式腔长的干涉仪只能透过特定频率的光，而扫描式法布里-珀罗干涉仪可以利用压电换能器让其中一个反射镜以微米量级的精度做周期性移动，从而实现腔长的线性扫描。当腔长发生变化时，能够通过谐振腔的波长也会随之改变，相当于获得了一个可在特定波段内连续可调的超窄带通滤光片。因此，一台法布里-珀罗干涉仪就不再局限于分析固定波长的激光器光谱，而是可在一定波段内实现不同激光器光谱特性的分析。

关键性能参数

自由光谱范围（FSR）：当反射镜间距等于激光波长一半的整数倍时，即d=mλ/2，就会发生干涉相长，信号的光谱响应可以用示波器观察。一系列周期性的峰出现在示波器的屏幕上，连续峰之间的距离称为谐振腔的自由光谱范围（FSR）。

共焦腔的自由光谱范围为：
FSR=c/4d
其中c为光速，d为腔长，即两个反射镜间的距离。

精细度和分辨率：扫描式法布里-珀罗干涉仪的精细度F是一个表征干涉仪分辨紧密间隔光谱特征能力的量，它完全由反射镜的反射率决定。对于无限窄的输入光谱，精细度决定了测量光谱的宽度。结合反射镜间距及其产生的自由光谱范围，精细度通过以下方式定义仪器的分辨率：
△=FSR/F
光路对准指南及使用说明

① 初始光高及光路准直

1）测量光束高度：明确测量光束到平台表面的高度，此高度将作为后续光学元件安装的关键基准。
2）光学元件居中原则：一般来说，需将光学元件居中放置在步骤1）测量的光束高度位置，确保元件与光束初始对准。
3）可使用两个反射镜90°折叠光路，实现紧凑型光路。并粗调或微调反射镜来准直光路。

② 干涉仪安装与对准

1）干涉仪安装：安装干涉仪，使光束通过其孔径的中心；若对准困难，需要使用光阑来辅助对准。
2）干涉仪位置优化：尽量使干涉仪的腔体与光束重合，此时初始装置能排列得更整齐，且可产生足够强的信号，便于后续对准调节。
3）控制器设置与信号连接：打开法布里-珀罗控制器，开始扫描腔长（在合适的电压设置振幅，确保显示1个以上的峰值），因为只有当腔长满足入射光波长的共振条件时，光才能透过；同时将探测器输出和触发或斜坡信号连接到示波器。

以LBTEK 麓邦FP干涉仪、FP控制器、示波器的连接示例：

图2 FP干涉仪、FP控制器及示波器连接示意图

4）粗调与精调对准：
· 若探测不到信号，可将法布里-珀罗腔背面的探测器拆下，从而粗调腔的对准位置；干涉仪后面的光阑也可作为光斑位置的参考。
· 随后，微调反射镜或者干涉仪的安装座来调节光束，直到法布里-珀罗腔正确对准。

③ 透镜插入与光路优化

1）透镜插入：在光路特定距离处插入透镜，使束腰位于法布里-珀罗腔的中心（FP外壳上的凹槽标记即为腔中心位置，见图3）

图3 FP干涉仪凹槽位置示意图

2）透镜调节：调节透镜的高度和位置，确保光束入射在入射孔径的中心。
3）信号优化：再次调节反射镜和干涉仪的安装座，使示波器上的干涉峰幅度最大、高阶模得到最大程度的抑制，此时信号达到最佳水平。

完成后的光路如图4所示：

图4 FP干涉仪基本光路示意图（可用于测试激光器线宽）

下图为使用图4光路测试1064nm激光器线宽时示波器结果图：

图5 测试1064nm激光器线宽--示波器示意图（粉线表示电压斜升，黄线表示FSR迹线）