一种自由光谱区可大范围调节的空气隙法珀标准具

摘要

本发明提供了一种自由光谱区可大范围调节的空气隙法珀标准具，所述标准具包括：底座、三个基片、至少三个支撑杆、光学镜架、步进螺杆和两个高反射腔镜；其特征在于，所述三个基片依次垂直安装在底座上，并通过多个支撑杆进行固定，使三个基片保持平行；所述一个高反射腔镜安装在光学镜架上，所述光学镜架安装在一个基片上，另一个高反射腔镜安装在与光学镜架相邻的基片上，这两个基片构成空气隙标准具的腔；所述步进螺杆穿过中间位置的基片的底部圆孔，旋入底座的U型槽内，用于调节中间位置的基片的位置。本发明的空气隙标准具可以大范围调节腔长，实现不同范围的自由光谱区。

说明书

技术领域

本发明涉及光学与激光领域，特别涉及一种自由光谱区可大范围调节的空气隙 法珀标准具。

背景技术

目前，较为通用的法布里-珀罗标准具由两块存在一定间隙的玻璃平板组成，两 块玻璃平板相对的平面上镀有反射膜，并且相互平行，因而中间形成一层等厚的空 气层，这种标准具称为空气隙型标准具。还有一种法布里-珀罗标准具是一块实心的 透明平板，将平板的两个表面加工成相互平行的平面，并镀上反射膜，这样制成的 是实心标准具，也可称为固体标准具。这两种法布里-珀罗标准具都是由两个平行的 反射面和中间的介质层组成；入射光在两个平行的反射面之间多次反射，形成多光 束干涉。

标准具是一种多光束干涉仪器，具有极高的光谱分辨率，在光学领域具有广泛 的应用。在可调谐激光器中，主要用于精确调谐和获得极窄的线宽。

空气隙标准具的加工方法，一般是将两面腔镜通过间隔块连接在一起以保持两 腔镜间的平行度，两个腔镜不可更换；而加工好的固体标准具，其腔镜镀膜、腔长 也是不可更改的；因此这两种标准具的指标参数：腔长，精细度，自由光谱区等都 是确定的，导致标准具不能用于多种实验场合。

发明内容

本发明的目的在于克服目前的空气隙固体标准具存在的指标参数不可调的缺 陷，设计了一种自由光谱区可大范围调节的空气隙法珀标准具，该标准具的腔长可 以任意调节，标准具的两个腔镜可以更换，这样标准具的参数就可以随着实验的需 要更改，满足不同实验需求。

为了实现上述目的，本发明提供了一种自由光谱区可大范围调节的空气隙法珀 标准具，所述标准具包括：底座1、第一基片2、第二基片3、第三基片4、第一支 撑杆架5、第二支撑杆架6、第三支撑杆架7、光学镜架8、步进螺杆9、第一高反射 腔镜10和第二高反射腔镜11；所述第一基片2和第三基片4垂直固定在底座1的两 端，所述第二基片3介于所述第一基片2和第三基片4之间，所述第一支撑杆架5、 第二支撑杆架6、第三支撑杆架7上带有刻度，分别穿过第一基片2、第二基片3、 第三基片4并进行固定；所述第一高反射腔镜10安装在光学镜架8上，所述光学镜 架8安装在第一基片2上所述第二高反射腔镜11安装在第二基片3上；所述光学镜 架8与第二基片3之间构成了空气隙标准具的腔；所述步进螺杆9穿过底座1的U 型槽，并通过盖板固定在底座1的U型槽内，调节步进螺杆9移动第二基片3到预 定位置。

上述技术方案中，所述标准具还包括：有机玻璃外罩12；用于罩住标准具的主 体。

上述技术方案中，所述底座1为一个长方体，中间设有一个U型槽；在U型槽 的一端设有穿孔，用于将步进螺杆9的一端插入底座1的U型槽内；所述底座1的 上表面设有四个螺孔，用于固定第一基片2和第三基片4；所述底座1还包括U型 槽盖板。

上述技术方案中，所述第一基片2包括一个长方形底座和一个U型板，两者是 垂直的，在长方形底座上设有两个螺孔，分别与底座1的左端的两个螺孔对齐，并 用两个M6的螺钉进行固定；在U型板上设有一个大圆孔，四周均匀分布有若干个 小圆孔，大圆孔为光学通光孔，所述若干个小圆孔用于固定光学镜架8；在小圆孔的 外围均匀设有3个导向孔，供第一支撑杆架5、第二支撑杆架6和第三支撑杆架7穿 过。

上述技术方案中，所述第二基片3的方形底部插入底座1的U型槽内；并且第 二基片3的方形底部设有螺孔314，供步进螺杆9穿过；在第二基片3的顶部设有一 个大圆孔315，用于安装第二高反射腔镜9；在大圆孔315的周边均匀设有三个导向 孔，供第一支撑杆架5、第二支撑杆架6和第三支撑杆架7穿过。

上述技术方案中，所述第三基片4包括一个长方形底座和一个U型板，在长方 形底座上设有两个螺孔，分别与底座1的右端的两个螺孔对齐，并用两个M6的螺 钉进行固定；在U型板上设有一个大圆孔，在大圆孔的四周均匀设有3个导向孔， 供第一支撑杆架5、第二支撑杆架6和第三支撑杆架7穿过。

上述技术方案中，所述光学镜架8为一个圆环体；中间设有圆孔823，在圆孔 823的周围均匀设有若干个T形孔，其数量与第一基片2的小圆孔的数量相同，所述 T形孔与第一基片2上对应的小圆孔通过拉簧固定；此外，所述光学镜架8上还设有 3个小圆孔，三个相同的微调螺纹副分别插入这3个小圆孔中并进行固定；用于调光 学镜架8的俯仰角度；第一高反射腔镜10安装在光学镜架8的圆孔823中，第一高 反射腔镜10的镀膜面指向腔内，用压圈压紧；第二高反射腔镜11安装于第二基片3 中，第二高反射腔镜11的镀膜面指向腔内，用压圈压紧。

上述技术方案中，所述底座1、第一基片2、第二基片3、第三基片4、第一支 撑杆架5、第二支撑杆架6、第三支撑杆架7、光学镜架8和步进螺杆9的材料均为 铟钢。

上述技术方案中，所述第一高反射腔镜10和第二高反射腔镜11镀有大于99％ 的高反膜，且具有30弧分的楔角。

本发明的优点在于：

1、本发明的标准具可以大范围调节腔长，从而实现不同范围的自由光谱区；

2、本发明的两个腔镜可以根据实验波长进行更换，制作方法简单易行，且易于 操作，装置成本较低，适合用于利用标准具做测量用；

3、本发明的第一高反射腔镜和第二高反射腔镜之间的距离是通过调节步进螺杆 一端的旋钮实现的，调节方法简单方便，其中第一高反射腔镜可以通过光学镜架进 行三维调节保证两个高反射腔镜的平行度。

附图说明

图1为本发明的自由光谱区可大范围调节的空气隙法珀标准具的结构示意图；

图2为本发明的自由光谱区可大范围调节的空气隙法珀标准具的有机玻璃外罩 的示意图；

图3为本发明的自由光谱区可大范围调节的空气隙法珀标准具的底座的示意图；

图4为本发明的自由光谱区可大范围调节的空气隙法珀标准具的第一基面的示 意图；

图5为本发明的自由光谱区可大范围调节的空气隙法珀标准具的第二基面的示 意图；

图6为本发明的自由光谱区可大范围调节的空气隙法珀标准具的第三基面的示 意图；

图7为本发明的自由光谱区可大范围调节的空气隙法珀标准具的光学镜架的示 意图。

附图标识：

1、底座                 2、第一基片                3、第二基片

4、第三基片             5、第一支撑杆架            6、第二支撑杆架

7、第三支撑杆架         8、光学镜架                9、步进螺杆

10、第一高反射腔镜      11、第二高反射腔镜         12、有机玻璃外罩

314、螺孔       315 大圆孔         823 圆孔

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，一种自由光谱区可大范围调节的空气隙法珀标准具，所述标准具 包括：底座1、第一基片2、第二基片3、第三基片4、第一支撑杆架5、第二支撑杆 架6、第三支撑杆架7、光学镜架8、步进螺杆9、第一高反射腔镜10和第二高反射 腔镜11；所述第一基片2和第三基片4垂直固定在底座1的两端，所述第二基片3 介于所述第一基片2和第三基片4之间，所述第一支撑杆架5、第二支撑杆架6、第 三支撑杆架7分别穿过第一基片2、第二基片3、第三基片4，以保证三个基片是平 行的；所述第一高反射腔镜10安装在光学镜架8上，所述第二高反射腔镜11安装 在第二基片3上；所述光学镜架8安装在第一基片2上；用于进行三维调整，以保 证两个高反射腔镜面是平行的；所述光学镜架8与第二基片3之间构成了空气隙标 准具的腔；所述步进螺杆9穿过底座1的U型槽，并通过盖板固定在底座1的U 型槽内，调节步进螺杆9移动第二基片3到预定位置。

如图2所示，所述装置还包括：有机玻璃外罩12；用于罩住整个光学标准具。

如图3所示，所述底座1为一个长方体，中间设有一个U型槽；在U型槽的一 端设有穿孔，用于将步进螺杆9的一端插入底座1的U型槽内；所述底座1的上表 面设有四个螺孔，分别用于固定第一基片2和第三基片4；所述底座1还包括U型 槽盖板。

如图4所示，所述第一基片2包括一个长方形底座和一个U型板，两者是垂直 的，在长方形底座上设有两个螺孔，分别与底座1的左端的两个螺孔对齐，并用两 个M6的螺钉进行固定；在U型板上设有一个大圆孔，四周均匀分布有若干个小圆 孔，大圆孔为光学通光孔，若干个小圆孔用于固定光学镜架8；在小圆孔的外围均匀 设有3个导向孔，供第一支撑杆架5、第二支撑杆架6和第三支撑杆架7穿过。

如图5所示，所述第二基片3的方形底部插入底座1的U型槽内；并且第二基 片3的方形底部设有螺孔314，供步进螺杆9穿过；在第二基片3的顶部设有一个大 圆孔315，用于安装第二高反射腔镜9；在大圆孔315的周边均匀设有三个导向孔， 供第一支撑杆架5、第二支撑杆架6和第三支撑杆架7穿过。

如图6所示，所述第三基片4包括一个长方形底座和一个U型板，在长方形底 座上设有两个螺孔，分别与底座1的右端的两个螺孔对齐，并用两个M6的螺钉进 行固定；在U型板上设有一个大圆孔，在大圆孔的四周均匀设有3个导向孔，供第 一支撑杆架5、第二支撑杆架6和第三支撑杆架7穿过。

如图7所示，所述光学镜架8为一个圆环体；中间设有圆孔823，在圆孔823的 周围均匀设有若干个T形孔，其数量与第一基片2的小圆孔的数量相同，所述T形 孔与第一基片2上对应的的小圆孔通过拉簧固定；此外，所述光学镜架8上还设有3 个小圆孔，三个相同的微调螺纹副分别插入这3个小圆孔中并进行固定；用于调光 学镜架8的俯仰角度；第一高反射腔镜10安装在光学镜架8的圆孔823中，第一高 反射腔镜10的镀膜面指向腔内，用压圈压紧；第二高反射腔镜11安装于第二基片3 中，第二高反射腔镜11的镀膜面指向腔内，用压圈压紧。

如图1所示，步进螺杆9的一端插入第二基片3的螺孔314，通过旋转步进螺杆 9，将第二基片3旋进到底座1的U型槽内；所述的步进螺杆9，用于调节第二基片 与第一基片之间的距离。

所述底座1、第一基片2、第二基片3、第三基片4、第一支撑杆架5、第二支撑 杆架6、第三支撑杆架7、光学镜架8和步进螺杆9的材料均为铟钢。

所述第一高反射腔镜10和第二高反射腔镜11镀有大于99％的高反膜，且具有 30弧分的楔角。

基于上述装置，本发明还提供了一种光学标准具的自由光谱区的调节方法，具 体包括以下步骤：

步骤1)将所述光学标准具置于调平的光学平台或硬质水平平面上，保证光学标 准具整体处于水平；

步骤2)根据光学标准具的自由光谱区计算公式计算腔镜间距d，通过调节步进 螺杆9移动第二基片3，最终达到所需的自由光谱区；

${\mathrm{\Delta \nu }}_f=\frac{c}{2nd}$

式中，c为真空中光速；n为光学标准具腔镜间介质折射率；d是腔镜间距；Δν_f为自由光谱范围；

步骤3)利用窄线宽激光器对光学标准具进行对准标定，调节固定在第一基面2 上的光学镜架8的三个微调螺纹副至观测到清晰均匀的干涉环为止。

进行调节时，需要的实验仪器有：窄线宽激光器(激光器波长根据标准具第一 高反射腔镜和第二高反射腔镜的镀膜情况确定波长，线宽小于100MHz)、凹面镜、 长焦透镜、CCD相机。窄线宽激光器发出的激光经过凹面镜发散后，让其均匀照满 标准具第二高反射腔镜表面，此时标准具内产生了多光束干涉，然后经过长焦透镜 进行汇聚，在其焦平面上得到同心干涉圆环，将CCD相机置于长焦透镜焦平面上， 就可以得到干涉环的照片，进行实验分析。调节光学镜架8的三个微调螺纹副，直 到得到清晰均匀的干涉环为止，

实例1：

设定实验需要标准具的自由光谱范围为0.5GHz，根据光学标准具的自由光谱范 围计算公式：计算得到光学标准具的腔长30cm。调节步进螺杆9移动 第二基片3，使得第二基片3与第一支撑杆架5、第二支撑杆架6和第三支撑杆架7 相交的腔内刻线值为30cm。调节光学镜架8的三个微调螺纹副，最终使两腔镜完全 平行，在实验处观测到清晰的干涉条纹为止。综上所述，此时调节好的标准具其腔 长30cm，自由光谱范围0.5GHz。

实例2：

设定实验需要标准具的自由光谱范围为1GHz，计算得到光学标准具腔长15cm。 调节步进螺杆9移动第二基片3，使得第二基片3与第一支撑杆架5、第二支撑杆架 6和第三支撑杆架7相交的腔内刻线值为15cm。调节光学镜架8的三个微调螺纹副， 最终使两腔镜完全平行，在实验处观测到清晰的干涉条纹为止。

实例3：

设定实验需要标准具的自由光谱范围为15GHz，计算得到光学标准具腔长1cm。 调节步进螺杆9移动第二基片3，使得第二基片3与与第一支撑杆架5、第二支撑杆 架6和第三支撑杆架7相交的腔内刻线值为1cm。调节光学镜架8的三个微调螺纹 副，最终使两腔镜完全平行，在实验处观测到清晰的干涉条纹为止。