一種可調的高穩定f-p整體腔裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種可調的高穩定F-P整體腔裝置，其包括信號源、與信號源相連的高壓放大器、光源以及依次設置在光源出射光路上的光學隔離器和反射平面鏡組、依次設置在反射平面鏡組反射光路上的匹配透鏡和F-P整體腔鏡組；本發明能夠大大降低譜線頻率漂移量，而且F-P整體腔鏡組是將固定第一平凹透鏡和第二平凹透鏡的鏡架固定在基座頂部的V形槽中，大大降低其自由度，左右平移方向也被限制，大大提高了鏡組的穩定性、檢測的靈敏度與精度，既能達到方便調節的目的，又能滿足穩定性的要求，操作方便，結構簡單，為相關的物理實驗提供了一種簡便工具。
【專利說明】—種可調的高穩定F-P整體腔裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬于光學器件【技術領域】，具體涉及到一種可調的高穩定F-P整體腔裝置。【背景技術】
[0002]法布里-鉬羅腔(F-P腔)是光譜學實驗中常用到的ー種物理裝置，一方面作為標準具用于譜線頻率定標；另ー方面作為鑒頻標準信號產生的主要工具之一用于激光頻率的鎖定，尤其是對于原子物理實驗中經常用到的半導體激光器。除以上應用外，特別地，它還可以用于腔內吸收實驗，優化吸收信號。
[0003]做法是將樣品池(或吸收物質)置于腔內，激光注入腔內，光線在腔內通過兩片高反射率鏡片多次反射，其等效吸收長度為腔長和平均傳播次數的乘積，從而増加了池內樣品與光子作用的有效吸收光程，提高樣品吸收信號的強度及信噪比，尤其是對于微弱信號。
[0004]一般地，法布里-鉬羅腔可直接由一對平凹鏡片組成，其中兩鏡片各被夾置于三維調節鏡架內，然后兩鏡架相對平行放置且鏡片凹面相対，并在距空間距離L后由螺釘固定或者直接膠粘于平板上，間距L的長度等于鏡片的曲率半徑，所用平板一般為石英平板。以高準直度的633nm為參考光源，通過鏡架的螺絲調節，實現腔長匹配和光路閉合，從而實現開放式的光學F-P腔。此類開放式光學F-P腔雖然容易調節，但極易受外界環境干擾，造成復現性差，毎次使用前需進行調節甚至是在使用過程中受振動、氣流等都會對不利于光路閉合效果，給輸出譜線的信噪比、對稱度及精細度帶來不利影響。此外，由于兩鏡架是固定在一平板上，其空間自由度很大，對于兩鏡架軸向光學中心的一致性，并不能完全保證，相應地，導致分別固定于鏡架中的平凹鏡片之間的中心位置在軸向上可能不一致，影響光路閉合，降低信號輸出強度、譜線精細度等。考慮到其機械穩定性較差，易受到外界振動、氣流等對鏡架的干擾以及兩鏡片的中心軸向不一致等因素，后來設計了一種整體式F-P腔，具體地，腔體為中空的圓柱體設計，圓柱體上下底部各有一端蓋，端蓋中心處各開有一小孔，用于固定鏡片，摒棄鏡架的使用，通過膠粘方式使兩鏡片固定至小孔處，兩鏡片中心分別與腔體上下底部中心重合，并且兩鏡片間保持平行。腔體的上端蓋用螺釘直接與中空圓柱體連接，下端蓋較上端蓋有一定厚度且表面加工有螺紋，腔體內壁螺紋和下端蓋表面螺紋聯接，通過軸向中心旋轉下端蓋調節其在腔體內部的進出位置完成腔長匹配。但此整體式F-P腔仍存在一些問題:一方面，雖然其穩定性相對于開放式F-P腔好，但是其可調程度受到很大限制，其光線的光路閉合很大程度上依靠操作者粘貼鏡片的經驗，以達到兩片鏡片絕對平行為目的，這對操作者是很大的挑戰。并且由于采用膠粘方式，所以是一次性的過程，如果粘貼完的鏡片間存在角度問題，需要去膠再重復操作，使實驗操作復雜化，費時費力。另ー方面，腔一體化的設計雖然保證了兩平凹鏡片在軸向中心一致，但這樣的軸向中心一致性結果僅僅在下端蓋沒有進行旋轉操作前成立，當實驗中進行腔體匹配需要旋轉下端蓋時，下端蓋中心區域的平凹鏡片的中心位置隨旋轉螺紋變化，破壞了其與上端蓋的平凹鏡片在軸向中心上的一致，對光路閉合以及譜線強度輸出、精細度都造成不利影響。此外，對于樣品池吸收探測的物理實驗，開放式光學F-P腔無法提供機械結構穩定、光學中心絕對一致的裝載裝置，而整體式光學F-P腔由于結構限制無法方便地將樣品池置于腔內，并且一旦整體F-P腔完成光路閉合，鏡片固定，腔內樣品便無法從封閉的腔體內取出，對后期進ー步操作帶來困難，如樣品池溫度控制、位置調整等。
【發明內容】
[0005]為了克服現有技術中的F-P腔所存在的不足，本發明提供了一種能夠方便使用、穩定性高、檢測精度高的可調的高穩定F-P整體腔裝置。
[0006]本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是:該可調的高穩定F-P整體腔裝置包括信號源、與信號源相連的高壓放大器、光源以及依次設置在光源出射光路上的光學隔離器和反射平面鏡組、依次設置在反射平面鏡組反射光路上的匹配透鏡和F-P整體腔鏡組；
[0007]上述反射平面鏡組是相互平行的第一平面鏡和第二平面鏡構成，第一平面鏡設置在光源出射光路上且與光源光軸之間的夾角為45°，第二平面鏡設置在第一平面鏡的下方且與第一平面鏡平行；
[0008]上述F-P整體腔鏡組為:在基座外設置有腔罩,腔罩的前端與后端分別加工有透光窗ロ，在基座頂部加工有V形槽，V形槽內依次設置有前三維調節鏡架和后三維調節鏡架，前三維調節鏡架上設置有第一平凹透鏡，后三維調節鏡架上設置安裝有壓電陶瓷的套環，壓電陶瓷上設置第二平凹透鏡，第一平凹透鏡的凹面與第二平凹透鏡的凹面一側相對且第一平凹透鏡與第二平凹透鏡的中心軸在同一條直線上，第一平凹透鏡與第二平凹透鏡的表面均鍍有高反射膜，壓電陶瓷通過導線與高壓放大器相連。
[0009]上述第一平面鏡與第二平面鏡的中心間距是20?80mm。
[0010]上述第一平凹透鏡與第二平凹透鏡的凹面曲率半徑均是100mm，其中心間距與透鏡曲率半徑相等。
[0011]上述第一平面鏡與第二平面鏡的高反射膜是由ZnS與MgF2交替蒸鍍11?13層所形成。
[0012]上述匹配透鏡是平凸透鏡，其凸面曲率半徑為100?300mm，在匹配透鏡的表面鍍有增透膜，所述增透膜是MgF2與TiO交替蒸鍍12層形成。
[0013]上述V形槽的兩側之間的夾角a為45°。
[0014]上述基座的左右側壁下端對稱加工有矩形槽。
[0015]上述壓電陶瓷呈中空圓柱狀結構。
[0016]上述裝置還包括樣品池，樣品池設置在前三維調節鏡架與后三維調節鏡架之間的
基座上。
[0017]本發明所提供的可調的高穩定F-P整體腔裝置，是將激光光源經過光學隔離器后通過45°高反射平面鏡組調節激光光線方向，使激光光線經過匹配透鏡在波前匹配優化后垂直且中心入射至F-P整體腔鏡組(法布里-珀羅整體腔鏡組)中，最終獲得高增益、高信噪比的透射信號譜線，本發明能夠大大降低譜線頻率漂移量，與現有德國Toptica公司產的FPIlOO鋁制整體腔相比，在相同條件下，一分鐘的漂移量可由現有的200MHz降低到30MHz，而且F-P整體腔鏡組是將固定第一平凹透鏡和第二平凹透鏡的鏡架固定在基座頂部的V形槽中，大大降低其自由度，左右平移方向也被限制，保證鏡架內兩平凹鏡片的軸向中心一致性，大大提高了鏡組的穩定性、檢測的靈敏度與精度，此外，基座上的腔罩可以活動，方便樣品池的取放，有效增加了腔內吸收實驗過程中的吸收光程，提高吸收信號強度，尤其是微弱吸收信號，因此本發明既能達到方便調節的目的，又能滿足穩定性的要求，操作方便，結構簡單，為相關的物理實驗提供了一種簡便工具。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為實施例1的裝置工作原理圖。
[0019]圖2為圖1中F-P整體腔鏡組5的結構示意圖。
[0020]圖3為圖2中基座5-2的結構示意圖。
[0021]圖4為圖2中腔罩5-1的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖和實施例對本發明進行進一歩詳細說明，但是本發明不僅限于這些實施例。
[0023]實施例1
[0024]由圖1可知，本實施例的可調F-P整體腔裝置由光源1、光學隔離器2、第一平面鏡
3、匹配透鏡4、F-P整體腔鏡組5、高壓放大器6、信號源7以及第二平面鏡8聯接構成。
[0025]本實施例的激光器作為光源1，發出波長為633nm的激光，在激光的出射光路上距離激光器IOmm的位置安裝有光學隔離器2,該光學隔離器2的中心波長650nm,適用波長范圍630?700nm，透過率為75%，隔離度為30dB，在光學隔離器2的出射光路上距離光學隔離器220mm的位置安裝有反射平面鏡組，用以調整激光光路的光學中心，該反射平面鏡組包括第一平面鏡3和第二平面鏡8，第一平面鏡3安裝在光學隔離器2的出射光路且與該出射光路形成45°的夾角，第二平面鏡8安裝在第一平面鏡3的正下方，與第一平面鏡3平行設置，第一平面鏡3與第二平面鏡8的間距是30mm，光線從第一平面鏡3反射到第二平面鏡8上，再從第二平面鏡8反射出來，在第二平面鏡8的反射光路上距離第二平面鏡850mm的位置安裝有匹配透鏡4，用于優化波前匹配，該匹配透鏡4為平凸透鏡，其平面與第二平面鏡8相對，其凸面的曲率半徑是300mm，鏡面直徑為25mm，鏡片厚度為3mm，在匹配透鏡4表面鍍有650nm的增透膜，該增透膜是氟化鎂(MgF2)和氧化鈦(TiO)交替蒸鍍12層所形成的，折射率為1.51680，在匹配透鏡4的出射光路上安裝有F-P整體腔鏡組5。
[0026]參見圖2至圖4，本實施例的F-P整體腔鏡組5是由腔罩5_1、基座5_2、前三維調節鏡架5-3、第一平凹透鏡5-4、第二平凹透鏡5-5、壓電陶瓷5-6、套環5_7以及后三維調節鏡架5-8連接構成。
[0027]本實施例的基座5-2由整塊超低熱膨脹系數的殷鋼加工而成，對溫度變化不敏感，大大優于鋁材料的熱膨脹系數，其長為154mm，在基座5_2外罩ー個壁厚為3mm的長方體腔罩5-1，將基座5-2上安裝的元件封閉，與外部空氣隔絕，在腔罩5-1的前端與后端加工有透光窗ロ，透光窗口上安裝有石英片，供激光束高透射率通過，進入腔內。在基座5-2的頂部加工有夾角a為45°的V形槽、左右兩側壁距離底部6mm的位置分別加工有矩形槽，矩形槽高度為6.5mm，深度為8mm，便于將基座5_2固定在工作臺面上。在V形槽內距離基座5-2前端ロ 11.7mm的位置安裝有前三維調節鏡架5_3、距離基座5_2后端ロ 11.7mm的位置安裝有后三維調節鏡架5-8，前三維調節鏡架5-3與后三維調節鏡架5-8的外形均為V形結構，與V形槽的內壁貼合，并用螺釘固定在V形槽上，在前三維調節鏡架5-3上用螺釘固定有第一平凹透鏡5-4，在后三維調節鏡架5-8上固定安裝有鋁套環5-7，在套環5-7內卡嵌有壓電陶瓷5-6，壓電陶瓷5-6呈中空圓柱狀結構，上下底部的內徑均為5mm，外徑均為IOmm,外壁長度為7_，壓電陶瓷5-6通過導線與高壓放大器6相連，高壓放大器6通過導線與信號源7相連，該高壓放大器6的增益為25dB，帶寬為5KHz，輸出電壓為150V，信號源7輸出幅度為500mV、頻率為IOHz的三角波信號，通過高壓放大器6傳送到壓電陶瓷5_6上，在壓電陶瓷5-6的端ロ上用粘結膠粘接第二平凹透鏡5-5，第一平凹透鏡5-4與第二平凹透鏡5-5的凹面相對，且第一平凹透鏡5-4與第二平凹透鏡5-5、壓電陶瓷5-6以及腔罩5_1透光窗ロ的中心軸在同一條直線上分布，第一平凹透鏡5-4與第二平凹透鏡5-5保持相互平行且凹面曲率半徑均是100mm，有效地提高了光束的干涉效應，其中心間距與曲率半徑相等，提高了激光與腔體的匹配程度。在第一平凹透鏡5-4與第二平凹透鏡5-5的表面均鍍有650nm的高反射膜，該高反射膜的材質是硫化鋅(ZnS)和氟化鎂(MgF2),交替蒸鍍11層所形成，能夠對633nm激光的反射率R達到99.3%。
[0028]使用時，激光器出射激光，光路經過光學隔離器2、反射平面鏡組以及匹配透鏡4后，垂直通過F-P整體腔鏡組5(即法布里-珀羅整體腔鏡組)，信號源7輸出掃描頻率10Hz，振幅500mV的三角波信號，利用高壓放大器6將此信號放大后施加至F-P整體腔鏡組5中的壓電陶瓷5-6(簡稱PZT)上，驅動PZT工作，光路經過掃描的F-P整體腔鏡組5，在鏡組的透鏡表面形成細且亮的等傾同心圓條紋，對應地，其透射信號通過光電檢測為一系列等間隔且線寬很窄的譜線，這為相關的物理實驗提供了一種簡便工具。例如:①譜線定標，F-P腔輸出透射譜線的自由光譜范圍通過材料性能、腔長確定，即譜線間隔頻率可知，從而可以其為標尺，測量實驗物理信號，如原子的熒光信號、吸收信號；②激光頻率鎖定參考，若將F-P腔進行外部高度隔振及高精度的控溫處理，則其輸出譜線十分穩定，從而可以其為參考標準，將自由運轉的激光器通過電子伺服控制系統鎖定在F-P腔上。
[0029]實施例2
[0030]本實施例的激光器作為光源1，發出激光，在激光的出射光路上距離激光器IOmm的位置安裝有光學隔離器2，在光學隔離器2的出射光路上距離光學隔離器220mm的位置安裝有反射平面鏡組，該反射平面鏡組包括第一平面鏡3和第二平面鏡8，第一平面鏡3安裝在光學隔離器2的出射光路且與該出射光路形成45°的夾角，第二平面鏡8安裝在第一平面鏡3的正下方，與第一平面鏡3平行設置，第一平面鏡3與第二平面鏡8的中心間距是20mm，光線從第一平面鏡3反射到第二平面鏡8上，再從第二平面鏡8反射出來，在第二平面鏡8的反射光路上距離第二平面鏡850mm的位置安裝有匹配透鏡4，該匹配透鏡4為平凸透鏡，平面在第二平面鏡8 ー側，其凸面的曲率半徑是200_，鏡面直徑為25_，鏡片厚度為4mm，表面蒸鍍有600nm的增透膜，該增透膜是氟化鎂和氧化鈦交替蒸鍍12層所形成的，折射率為1.51680，在匹配透鏡4的出射光路上安裝有F-P整體腔鏡組5。
[0031]本實施例的F-P整體腔鏡組5中，在第一平凹透鏡5-4與第二平凹透鏡5-5的表面均鍍有600nm的高反射膜，該高反射膜的材質是硫化鋅和氟化鎂，交替蒸鍍12層形成，能夠對633nm激光的反射率R達到99.5%。
[0032]本實施例的高壓放大器6的增益為23dB，帶寬為5KHz，輸出電壓為100V，信號源7輸出幅度為lOOmV、頻率為15Hz的三角波信號，通過高壓放大器6傳送到壓電陶瓷5_6上。
[0033]其他的部件及其連接關系與實施例1相同。
[0034]實施例3
[0035]本實施例的激光器作為光源1，發出激光，在激光的出射光路上距離激光器IOmm的位置安裝有光學隔離器2，在光學隔離器2的出射光路上距離光學隔離器220mm的位置安裝有反射平面鏡組，該反射平面鏡組包括第一平面鏡3和第二平面鏡8，第一平面鏡3安裝在光學隔離器2的出射光路且與該出射光路形成45°的夾角，第二平面鏡8安裝在第一平面鏡3的正下方，與第一平面鏡3平行設置，第一平面鏡3與第二平面鏡8的中心間距是80mm,光線從第一平面鏡3反射到第二平面鏡8上，再從第二平面鏡8反射出來，在第二平面鏡8的反射光路上距離第二平面鏡850mm的位置安裝有匹配透鏡4，該匹配透鏡4為平凸透鏡，其凸面與第二平面鏡8相対，曲率半徑是100mm，鏡面直徑為40mm，匹配透鏡4表面鍍有700nm的增透膜，該增透膜是氟化鎂和氧化鈦交替蒸鍍12層所形成的，在匹配透鏡4的出射光路上安裝有F-P整體腔鏡組5，在F-P整體腔鏡組5中，第一平凹透鏡5-4與第二平凹透鏡5-5的表面均鍍有700nm的高反射膜，該高反射膜是硫化鋅和氟化鎂交替蒸鍍13層形成，能夠對633nm激光的反射率R達到99.5%。
[0036]本實施例的高壓放大器6的增益為26dB，帶寬為5KHz，輸出電壓為200V，信號源7輸出幅度為1000mV、頻率為20Hz的三角波信號，通過高壓放大器6傳送到壓電陶瓷5_6上。
[0037]其他的部件及其連接關系與實施例1相同。
[0038]實施例4
[0039]在上述實施例1?3的前三維調節鏡架5-3與后三維調節鏡架5-8之間放置一個樣品池9，用于腔內吸收實驗，正入射進鏡組的激光光束在鏡面的多次反射下與樣品池9進行多次反應，使得有效吸收光程得到大大增加，提高了吸收信號強度，尤其是微弱吸收信號。
[0040]其他的部件及其連接關系與相應實施例相同。
【權利要求】
1.一種可調的高穩定F-P整體腔裝置，其特征在于:包括信號源(7)、與信號源(7)相連的高壓放大器(6)、光源(I)以及依次設置在光源(I)出射光路上的光學隔離器(2)和反射平面鏡組、依次設置在反射平面鏡組反射光路上的匹配透鏡(4)和F-P整體腔鏡組(5)； 上述反射平面鏡組是相互平行的第一平面鏡(3)和第二平面鏡(8)構成，第一平面鏡(3 )設置在光源(I)出射光路上且與光源(I)光軸之間的夾角為45 °，第二平面鏡(8 )設置在第一平面鏡(3 )的下方且與第一平面鏡(3 )平行； 上述F-P整體腔鏡組(5 )為:在基座(5-2 )外設置有腔罩(5-1 )，腔罩(5-1)的前端與后端分別加工有透光窗ロ，在基座(5-2)頂部加工有V形槽，V形槽內依次設置有前三維調節鏡架(5-3 )和后三維調節鏡架(5-8 )，前三維調節鏡架(5-3 )上設置有第一平凹透鏡(5-4)，后三維調節鏡架(5-8)上設置安裝有壓電陶瓷(5-6)的套環(5-7)，壓電陶瓷(5-6)上設置第二平凹透鏡(5-5)，第一平凹透鏡(5-4)的凹面與第二平凹透鏡(5-5)的凹面ー側相對且第一平凹透鏡(5-4)與第二平凹透鏡(5-5)的中心軸在同一條直線上，第一平凹透鏡(5-4)與第二平凹透鏡(5-5)的表面均鍍有高反射膜，壓電陶瓷(5-6)通過導線與高壓放大器(6)相連。
2.根據權利要求1所述的可調的高穩定F-P整體腔裝置，其特征在于:所述第一平面鏡(3)與第二平面鏡(8)的中心間距是20?80mm。
3.根據權利要求1所述的可調的高穩定F-P整體腔裝置，其特征在于:所述第一平凹透鏡(5-4)與第二平凹透鏡(5-5)的凹面曲率半徑均是100mm，其中心間距與透鏡曲率半徑相等。
4.根據權利要求1所述的可調的高穩定F-P整體腔裝置，其特征在于:所述第一平面鏡(3)與第二平面鏡(8)的高反射膜是由ZnS與MgF2交替蒸鍍11?13層所形成。
5.根據權利要求1所述的可調的高穩定F-P整體腔裝置，其特征在于:所述匹配透鏡(4)是平凸透鏡，其凸面曲率半徑為100?300mm，在匹配透鏡(4)的表面鍍有增透膜，所述增透膜是MgF2與TiO交替蒸鍍12層形成。
6.根據權利要求1所述的可調的高穩定F-P整體腔裝置，其特征在于:所述V形槽的兩側之間的夾角a為45°。
7.根據權利要求1所述的可調的高穩定F-P整體腔裝置，其特征在于:所述基座(5-2)的左右側壁下端對稱加工有矩形槽。
8.根據權利要求1所述的可調的高穩定F-P整體腔裝置，其特征在于:所述壓電陶瓷(5-6)呈中空圓柱狀結構。
9.根據權利要求1至8任一項所述的可調的高穩定F-P整體腔裝置，其特征在于:所述裝置還包括樣品池(9)，樣品池(9)設置在前三維調節鏡架(5-3)與后三維調節鏡架(5-8)之間的基座(5-2)上。
【文檔編號】H01S3/08GK103457144SQ201310410917
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月10日 優先權日:2013年9月10日
【發明者】田曉, 常宏 申請人:中國科學院國家授時中心