Введение

Оптическое устройство с параллельными зеркалами

В оптике интерферометр Фабри-Перо (FPI) или эталон представляет собой оптический резонатор, образованный двумя параллельными отражающими поверхностями (то есть тонкими зеркалами). Оптические волны могут проходить через оптический резонатор только в том случае, если они находятся в резонансе с ним. Он назван в честь Шарля Фабри и Альфреда Перо, которые разработали этот прибор в 1899 году. Слово «эталон» происходит от французского étalon, означающего «меру» или «стандарт». Эталоны широко используются в телекоммуникациях, лазерах и спектроскопии для контроля и измерения длин волн света. Недавние достижения в технологии изготовления позволяют создавать высокоточные настраиваемые интерферометры Фабри-Перо. Технически, устройство является интерферометром, когда расстояние между двумя поверхностями (и, следовательно, длина резонанса) может изменяться, и эталоном, когда расстояние фиксировано (однако эти два термина часто используются как взаимозаменяемые).

Основное описание

Сердце интерферометра Фабри-Перо – пара частично отражающих стеклянных оптических плоскостей, расположенных на расстоянии от микрометров до сантиметров, с отражающими поверхностями, обращенными друг к другу. (В качестве альтернативы, эталон Фабри-Перо использует одну пластину с двумя параллельными отражающими поверхностями.) Плоскости в интерферометре часто изготавливаются в форме клина, чтобы предотвратить образование интерференционных полос на задних поверхностях; задние поверхности часто также имеют антиотражающее покрытие. В типичной системе освещение обеспечивается диффузным источником, установленным в фокальной плоскости коллимирующей линзы. Фокусирующая линза, расположенная после пары плоскостей, создала бы перевернутое изображение источника, если бы плоскостей не было; весь свет, излучаемый из точки источника, фокусируется в одной точке в плоскости изображения системы. На прилагаемой иллюстрации прослежен только один луч, испущенный из точки А на источнике. При прохождении луча через пару плоскостей он многократно отражается, создавая множество прошедших лучей, которые собираются фокусирующей линзой и направляются в точку А' на экране. Полная интерференционная картина выглядит как набор концентрических колец. Четкость колец зависит от отражательной способности плоскостей. Если отражательная способность высока, что приводит к высокому доброкачественному фактору (Q), монохромный свет создает набор узких ярких колец на темном фоне. Интерферометр Фабри-Перо с высоким Q характеризуется высокой точностью (высоким коэффициентом утонченности).

Телекоммуникации

Телекоммуникационные сети, использующие мультиплексирование по длине волны, оснащены устройствами добавления-удаления каналов с банками миниатюрных настроенных эталонов из синтезированного кварца или алмаза. Это небольшие переливающиеся кубики размером около 2 мм с каждой стороны, установленные в небольших высокоточных держателях. Материалы выбираются для обеспечения стабильного расстояния между зеркалами и поддержания стабильных частот даже при колебаниях температуры. Алмаз предпочтительнее благодаря более высокой теплопроводности и сохранению низкого коэффициента теплового расширения. В 2005 году некоторые компании, производящие телекоммуникационное оборудование, начали использовать цельные эталоны, представляющие собой оптические волокна. Это позволяет избежать большинства проблем, связанных с монтажом, юстировкой и охлаждением.

Оптические приборы

Дихроические фильтры изготавливаются путем нанесения серии эталонных слоев на оптическую поверхность методом вакуумного осаждения. Эти оптические фильтры обычно обладают более четкими полосами отражения и пропускания, чем поглощающие фильтры. При правильной конструкции они работают при более низкой температуре, чем поглощающие фильтры, поскольку отражают нежелательные длины волн, а не поглощают их. Дихроические фильтры широко используются в оптическом оборудовании, таком как источники света, камеры, астрономические инструменты и лазерные системы. Для точного определения длины волны света используются интерферометры Фабри-Перо с различными свободными спектральными диапазонами. Лазерные резонаторы часто описываются как резонаторы Фабри-Перо, хотя для многих типов лазеров отражающая способность одного зеркала близка к 100%, что делает их более похожими на интерферометры Жире-Турнуа. Полупроводниковые диодные лазеры иногда используют настоящую геометрию Фабри-Перо из-за сложности нанесения покрытий на торцевые грани кристалла. Квантовые каскадные лазеры часто используют резонаторы Фабри-Перо для поддержания генерации лазерного излучения без необходимости применения покрытий на гранях, благодаря высокому усилению в активной области. Эталоны часто помещают внутрь лазерного резонатора при создании одномодовых лазеров. Без эталона лазер обычно излучает свет в диапазоне длин волн, соответствующем нескольким резонаторным модам, которые аналогичны модам Фабри-Перо. Введение эталона в лазерную полость с тщательно подобранной добротностью и свободным спектральным диапазоном может подавить все резонаторные моды, кроме одного, тем самым переключая лазер с многомодового режима работы в одномодовый. Стабильные интерферометры Фабри-Перо часто используются для стабилизации частоты излучения лазера (которая часто колеблется из-за механических вибраций или изменений температуры) путем фиксации его частоты на одной из резонаторных мод. Существует множество методов генерации сигнала ошибки, например, широко используемая методика Паунда-Древера-Холла.

Спектроскопия

Эталоны Фабри–Перо могут использоваться для увеличения длины взаимодействия в лазерной абсорбционной спектрометрии, в частности, в методах спектрометрии с кольцевым затуханием. Эталон с постепенно увеличивающейся толщиной может служить линейным оптическим фильтром с переменными характеристиками для проведения спектроскопических измерений. Его можно сделать чрезвычайно компактным, используя тонкие плёнки нанометровой толщины. Эталон Фабри–Перо позволяет создать спектрометр, способный наблюдать эффект Зеемана, при котором спектральные линии расположены слишком близко друг к другу для различения с помощью обычного спектрометра.

Астрономия

В астрономии эталон используется для выделения одного атомного перехода при визуализации. Наиболее часто используется линия H-альфа Солнца. Линия Ca K Солнца также часто визуализируется с помощью эталонов. Сенсор метана для Марса (MSM) на борту индийского аппарата "Мангальян" является примером прибора Фабри-Перо. Он стал первым прибором Фабри-Перо, запущенным в космос, когда был осуществлен запуск "Мангальяна". Поскольку он не различал излучение, поглощаемое метаном, и излучение, поглощаемое углекислым газом и другими газами, впоследствии его стали называть картографирующим альбедо. В детекторах гравитационных волн полость Фабри-Перо используется для удержания фотонов в течение почти миллисекунды, пока они отражаются вверх и вниз между зеркалами. Это увеличивает время взаимодействия гравитационной волны со светом, что повышает чувствительность на низких частотах. Этот принцип применяется в детекторах, таких как LIGO и Virgo, которые представляют собой интерферометр Майкельсона с полостью Фабри-Перо длиной в несколько километров в каждом плече. Меньшие полости, обычно называемые очистителями мод, используются для пространственной фильтрации и стабилизации частоты основного лазера.