法布里 - 干涉仪(Fabry-Perot Interferometer)说白了,就俩个相对的哈式镜子夹着个空气,光往它们之间溜,要是来回撞迷路的,就能被给筛出来。就像你在回水房里打麻将,你这一张牌打出去,要是正好能撞上对面的那张,那收回来的时候,牌子上多了个“回马枪”的标记,要是打不到,那就直接溜走。
这个标记,就是干涉条纹。咱不用讲那些兜里有金、身后有鬼的玄学,就按物理逻辑走一遍。 仪器是个啥,实际上就是两根玻璃平片,中间留个腔,光仔串进去,射到第一面镜片,再弹回第二面,最终又射进第一面。
这就好比你扔个石头进湖面,石头进去一局部被弹回来,一局部散开,回来这一局部别看散了,但能放进去的那局部,就是散射出来的波。法布里 - 干涉仪这玩意儿,比一般/平平的反射干涉仪强在啥,就是它把要回来的波给拉回来了,这叫多次反射叠加。
你想想,光仔闯进去,撞第一面,反射回来,再撞第二面,反射回来,第三面……撞了 N 下,回来的波就多了 N 份。
这就好比你一个人扔石头上,回头捡了个石头,再扔回去,回头捡了个石头,最终你手里握着的不只是是你扔的那个石头,还有前两次扔回去的石头。多出的这 N 份,就是 N 个峰,每个峰里藏着一条光的成分,它们一叠起来,就构成了那条主干涉线。 那柱子上的那些条纹,就是这叠起来的波。
要是条纹挺密,说明回来的波大量,叠加效果就强,就能抓住更细碎的光成分,分辨率就高了。
要是条纹挺稀疏,说明回来的波少,效果就弱,分辨率就低。
这就跟你在图书馆看书,页码越密,能读出字越清楚,翻页的手感也越精准;页码忒稀,光靠翻就看不清,得靠眯眼要么凑近点。光仔穿过的那条条纹,实际上就是把光的不同频率成分给给分开了。 如何分开的,得看光仔是不是圆胖的。
要是光仔是个完美的圆形,比如我们用激光这种理想光源,它进去的时候就是个完美的圆斑,打在第一面镜子上,反射回来的光斑是实心的,这时候叠加起来,就会形成一个个清清楚楚的圆条纹。
要是光仔是椭圆形的,比如用忒阳光这种非相干光,它进去的时候是个椭圆斑,打在第一面镜子上,反射回来的光斑也是椭圆形的。
这时候叠加起来,就不是圆条纹了,而是椭圆条纹。光仔越扁,条纹越扁;光仔越胖,条纹越圆。
这就是为啥有时候看光屏上是圆条纹,有时候是椭圆条纹的缘由。 那光仔是如何在镜子里转圈的呢,这就涉及到相位难题了。光仔碰到镜子的表面,不一定全是反射,有一局部是透射那会儿的。透射那会儿的这半波,又得穿过中间那层气体,再穿过第二面镜,再穿过那层气体,最终再穿过第一面镜。
这四段路程加起来,距离变长,光就落后了。假设中间那层气体挺薄,光仔进去透射那会儿,再出来,光就落后得差不多了。
这时候,反射回来的波,得跟透射回来的波,在这一段路程里相差的相位,得凑够半个波长要么一个波长,它们才能“合拍”。
这就是干涉。 要是光仔波长是 632.8 纳米的氩离子激光,中间那层气体是氢气,那光仔透射回去就落后了半个波长,得凑整一个波长才会干涉。
这时候,两束光在腔内来回反射,越转越多,等凑足了整波长的时候,就相长,变成亮条纹;没凑够的时候,就相消,变成暗条纹。
这个亮暗变化,就是条纹。 那这个条纹有多稳呢?这就得看腔长 L 跟波长 λ 的比例了。条纹越密,说明光跑得越快,你就得把腔子调整得越短,才能看到更细的条纹。
要是腔子忒长,光跑得飞快,条纹就挤得密,人眼根本看不清,得用 CCD 这种相机才能数出来。
这就好比你在数人海,人多了,你就得蹲下来数,不能站着数,否则数错了。 要是中间那层气体不是氢气,而是别的啥气体,要么腔子里还有别的啥介质,那光的传播速度就变慢了,光跑得慢,条纹就稀疏了。
这时候你得把腔子拉长,要么用波长变短的光仔,才能凑够整波长的相位差,看到条纹。
这叫调谐。就像你开车,后面有辆车,你得踩油门加速,要么换条新道,让车跟得上你的节奏,才能看到路边的景物。 在实验室里,做这个实验的人,一般是用那种窄线宽的光源,比如氦 - 氖激光,波长是 632.8 纳米,然后抽真空,抽到中间那层空气简直没了,只剩下个超薄的空气膜。
这时候光仔在腔里来回反射,来回次数能够是 1, 2, 3……直到凑足了整波长的相位差为止。每一个次数,对应一条亮条纹。
这就好比你在排队,排队的人越多,你越好办碰到前面的人,形成“人墙”。 那条纹的宽度呢?这跟透过镜子的光量也相关系。
要是透过镜子的光少,条纹就暗;光多,条纹就亮。但最关键的,是光仔本身的宽度。
要是光仔是个极窄的光束,比如用那种单模光纤输出的光,它进镜子的时候是个针尖大小的点,出来的时候也是个针尖大小的点。
这时候跟两束光叠加,就是“点 + 点”叠加,“线 + 线”叠加,最终形成的一条条纹,就像在画布上画了一根针尖的线。
这根线的宽度,跟光仔本身的宽度成正比。
要是光仔宽,条纹就宽;光仔窄,条纹就窄。 那多出来的这多份光,到底长啥样呢?实际上挺好办,就是那些没被“凑整”的光。想象一下,你把一堆石子乱扔在地上,其中有两颗石子形状一样,一颗颜色是红的,一颗颜色是蓝的。你不能直接把它们混在一起,你得给它们分。分完赶明儿,红的石子聚在一起,蓝的也聚在一起。
这里就形成了干涉,红的地方亮,蓝的地方暗。没凑整的,就是散落的,就形成了干扰场。 在法布里 - 干涉仪里,你透过条纹看,看到的就是那个“凑整”的过程。你眼瞳孔里是个圆斑,光仔也是个圆斑,你看到的条纹就是光仔在圆斑里被“筛”出来的结局。
要是条纹挺密,说明光仔在腔内来回反射了 N 次,每次反射都回来一份,N 份叠加,就把那些没凑整的光给筛掉了,留下的就是一条挺窄的线。 有时候,光仔跟腔长度搭配不当,你就看不到条纹,看到一片黑。
这时候你得把光仔波长调短,要么把腔长拉长,直到凑齐整波长为止。
要是光仔波长调忒长,腔长调忒短,光仔进去就转不动,转一圈就转不动了,这时候就少了 N 份光,干涉条纹就看不到了。 说到数据,随意拿个实验室的常见型号,腔长大约 200 毫米,中间是纯空气膜,光仔用 632.8 纳米的激光。
这时候理论上的透射率跟腔长的四次方成正比,跟透过镜子的光量平方成正比。
要是透过镜子的光量是 1%,理论透射率就是 1%,但实际效果可能只有 1%,出于光仔有损耗,还有杂散光。
要是光仔是 50%,理论透射率就是 25%,实际效果可能 30% 左右,出于还有漏光。
这就好比你打麻将,牌面亮堂一点,你碰到的概率就大一点。 还有,光仔的角度也得注意。光仔射进镜子的角度越大,透射进去的光就越少,反射回来的光就越少,对吧?这就像你隔着玻璃看东西,玻璃角越大,透光越少。但在法布里 - 干涉仪里,光仔一般是入射角垂直要么接近垂直的,这是为了把相位的计算搞好办。
要是光仔斜着进,相位计算就复杂了,得寻思光程差的矢量变化,但这在一般/平平实验里极少见。 最终总结一下,法布里 - 干涉仪就是个光学滤波器,它利用光的多次反射,把不同波长要么不同相位的光给分离出来。它能把光的成分分得挺精确,精度能达到纳米级就连更高。你在看的光谱,要么在测的膜厚,实际上就是用这个原理做出来的。
只要光仔能进去,撞回来,凑够整波长,就能形成条纹。
这就是它的工作原理。