光學F-P諧振腔（Fabry–Pérot Interferometer），簡稱F-P腔，又叫做F-P標準具或者F-P干涉儀，是一種利用多光束干涉現象工作的裝置。最初由法國物理學家法布里和珀羅二人於1987年發明，現已被廣泛應用於激光及精密光譜測量多個領域，在光學實驗室裡是一種常用儀器。
本文以山西大學光電研究所設計的可控溫F-P腔為例，介紹光學F-P腔的光路調節方法及應用場合，以此拋磚引玉，以饗同仁。
F-P腔的結構
圖1 F-P腔的基本結構
F-P腔的基本結構如圖1所示，是由兩面高反射率的鏡面組成。均勻平面波沿軸線方向在F-P腔中往返多次傳播，當波在腔鏡上發生反射時，入射波與反射波將會發生相長干涉，多次往返就會發生多光束干涉。光線在腔內實現穩定的傳播。
在充分考慮了環境溫度的變化、空氣的變化及機械振動等干擾的防護後，該F-P腔的設計如圖2所示。
圖2 F-P腔剖面結構圖
圖3 F-P腔外觀結構圖
圖4 常見材料的熱膨脹係數
為了減小空氣的流動，採用了密封的腔體，即用鋁罩將腔體封住；為了減小溫度的影響，採用了熱膨脹係數較小的殷鋼材料（線膨脹係數為α=9×10-7/℃ ），同時用控溫精度為0.3％的控溫儀，通過帕爾貼元件和熱敏電阻來控溫（為了避免殷鋼導熱性差對控溫時間的限制又在殷鋼外包了一層對熱反應敏感的紫銅）；為了防震，在紫銅的外邊包了一層膠木（起一定的保溫作用），並將整個裝置放在防震臺上。
F-P腔的光路調節
F-P腔對光路的要求非常嚴格，它要求光能夠從它的兩面反射鏡的中心準確地通過，所以對光路的調節要求非常精確。不能使光路有左右或上下的一丁點的偏差。光路的調節如下圖5所示：
圖5 F-P腔光路的調節
F-P腔的調裝一般可以分為兩步，第一步是F-P腔的粗調，以實現諧振光路與F-P腔光學中心重合；第二步是F-P腔的微調，以實現F-P腔的單模輸出。實驗操作步驟如下：
1
首先要對光路進行初步的調節，用兩個光闌b1和b2來準直光路，使光路達到F-P腔的高度153 mm。實驗中激光的輸出光的高度大約為147 mm，因此需藉助兩個全反鏡M1和M2結合兩個光闌來達到所需高度。
2
將兩個光闌（a1，a2）加在F-P腔上，把F-P腔放入到準直後的光路中，若剛才準直後的光高與F-P腔的所需光高有誤差，這時需再通過細調來達到所需高度，使光線水平準直地通過兩個光闌。
圖6 F-P腔光路調節局部示意圖
3
a.粘貼腔的第一片腔鏡。由於粘貼後的腔鏡的軸線與準直的光路不一定完全重合，可能存在誤差，因此，在粘貼過程中需藉助一個磁力座來減小這個誤差。把粘貼好的腔鏡裝置放在磁力座上進行校正，這時也需藉助光闌，調節的目的是使入射光斑與出射光斑的中心重合，調節過程中要在A-B膠未完全固化之前，通過旋轉鏡片使得入射光斑與反射光斑在最小誤差範圍內達到重合，旋轉時注意手指不要接觸鏡面，否則可能造成對鏡面的損壞。調節過程持續15分鐘左右。由於磁力座不可能做的精確水平，因此粘貼好的腔鏡在校正後仍可能存在較小的誤差；
b.粘貼第二片鏡子。同樣需要用一個光闌來幫助調節。調節過程需要藉助保險絲來達到入射光斑與反射光斑重合的效果。第二片鏡子是粘貼在壓電陶瓷上的，粘貼好後還要在壓電陶瓷上焊接高壓線（注意壓電陶瓷是內正外負，在高壓線上作好標誌）。
4
兩片腔鏡粘貼好後，在F-P腔的前面加一個f=150 mm的聚焦透鏡，使聚焦透鏡的焦點大致在腔的中心處。用CCD觀察出射的光斑（有兩個），使它們重合並達到很好的干涉效果（可以看到明暗閃爍），同時不斷調整腔長，使腔長最佳（L=100mm）。這些都是通過示波器來觀察和調整的。
圖7 F-P腔透射峰觀察示意圖
圖8 F-P腔的透射峰掃描
F-P腔在光學實驗中的應用
F-P腔在光譜學中的應用
a．提高單色性
將一非單色光輸入F-P腔之後得到的輸出曲線圖，頻率是等間隔的，每條單模的譜線寬度隨R和H的增大而減小，即F-P腔對輸入的非單色光起挑選波長，壓窄線寬，從而提高單色性的作用。這點在激光技術中得到重要的應用。
b．用於超精細結構的分析
主要用在光譜線超精細結構的研究方面。由於原子核磁矩的影響，有的光譜線分裂成幾條十分接近的譜線，這叫做光譜線的超精細結構。設想入射光中包含兩個十分接近的波長λ和λ=λ+δλ。它們產生的等傾干涉條紋有稍微不同的半徑。如果每根干涉條紋的寬度較大，則兩個波長的干涉條紋就會重疊在一起無法分辨。經F-P腔後干涉條紋的細銳對提高譜線分辨率本領是極為有利的因素。
F-P腔穩頻技術
穩頻技術是從事若干量子光學實驗的重要問題，直接影響著實驗結果的好壞，穩頻技術的提高將促使我們對微觀世界進一步瞭解和認識。穩頻技術不僅在高精度光學測量、光學通信等方面具有重要的應用前景，而且它是從基礎研究到應用研究的各種實驗不可缺少的環節。F-P腔是一種分辨波長微小變化的元件，同時，也能以相同的精度分辨出頻率的改變，因而可用作激光穩頻基準。它突出的優點是較寬頻率動態工作範圍。
圖9 F-P穩頻激光的應用
通常使用的穩頻技術為PDH穩頻，如下圖所示：
圖10 PDH穩頻裝置
激光首先經過聲光調製器（AOM）調製，聲光調製器作為光隔離元件，選擇一級衍射光，通過調節二分之一玻片，改變激光入射到電光相位調製器（EOM）上的偏振方向，即改變偏振面與所加電場的夾角，使EOM對入射激光產生相位調製並減小剩餘幅度調製。入射光經EOM相位調製後入射到偏振分束稜鏡（PBS）被分成兩束，只取向正前方向一束線偏振光，使它經過四分之一玻片變為圓偏振光垂直入射到F-P腔中。
當激光在F-P腔共振時，反射出來的激光再經過四分之一玻片由圓偏振光變為線偏振光，並相對入射方向轉向90度，經過PBS後入射到探測器（DET）中。四分之一玻片與PBS組合使用，既提取出F-P腔的反射信號，又起到隔離器的作用。
探測器獲得的電信號送入雙平衡混頻器（DBM）中，另一路本振信號經移相器移相後，一起送入到DBM中作為向敏解調參考信號，雙平衡混頻器解調得到具有高鑑頻特性的光外差光譜信號，比例-積分-微分電路（PID）改變其幅頻和相頻特性。高壓驅動電路（PZT Driver）控制激光腔上的壓電陶瓷（PZT），通過控制固定在PZT上的腔鏡，調節激光腔長，將激光鎖定在光學參考腔上。
圖11 誤差信號色散型譜線
圖11展示了PDH穩頻誤差信號的色散型譜線。色散型譜線關於原點呈中心對稱，在零點附近的線性區域，曲線的變化很陡。只要激光的頻率和共振頻率有很小的不同，都會得到很大的誤差信號。並且左右解調頻率範圍內，有一個可伺服捕捉區域。其次，在低頻部分幅度噪聲比較大，對激光實行相位調製以後，可有效規避。因此得到的色散型譜線、鑑頻譜線特徵十分良好。
F-P作為反饋元件的應用
在自由運轉狀態下，半導體激光器譜線一般較寬，由於低Q腔和電場振幅相位之間的相互耦合，使光的振幅和相位噪聲較大，在光通信、量子光學、BEC等應用和實驗中，要求窄線寬、頻率穩定性高的單頻低噪聲光源。大量研究表明，通過外加光反饋如光柵外部反饋，F-P腔外部反饋等不但可將半導體激光器線寬壓窄，而且還可將頻率調到特定的波長區，同時降低其強度和相位噪聲，降低閾值。光反饋是通過平面鏡、光柵、F-P腔等反饋元件將輸出光束的部分光反饋回半導體激光器，使特定的模式振盪同時抑制其它模式的方法。
總結
F-P腔是光學實驗中的一種常用儀器，在提高激光器單色性以及激光穩頻等方面具有重要作用，瞭解F-P腔的光路調節方法及應用場合，對於科研人員極其必要。
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