楊域博，陸浩宇，張文凱

(北京師范大學(xué) 物理學(xué)系 應(yīng)用光學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875)

法布里-珀羅干涉儀(F-P干涉儀)是一種重要的光學(xué)儀器，其主要原理是多光束干涉. 由于F-P干涉儀內(nèi)部是諧振腔結(jié)構(gòu)(F-P腔)，當(dāng)入射光的頻率滿足其共振條件時(shí)，透射頻譜會(huì)出現(xiàn)很高的峰值. F-P干涉儀被廣泛應(yīng)用在通信、激光和光譜學(xué)領(lǐng)域，用于精確測(cè)量和控制光的頻率和波長. 在實(shí)際應(yīng)用中，F(xiàn)-P干涉儀能夠產(chǎn)生十分狹窄、邊緣清晰并且十分明亮的干涉條紋，并與全黑的背景有效區(qū)分開來，因此常被用來搭配CCD攝像裝置和計(jì)算機(jī)用于研究光譜線超精細(xì)結(jié)構(gòu)[1-2]. 此外，F(xiàn)-P干涉儀的原理還可以應(yīng)用于制造諧振腔和半導(dǎo)體激光器. 本文將簡要介紹F-P干涉儀在飛秒受激拉曼光譜、和頻振動(dòng)光譜和二維紅外光譜等前沿光譜技術(shù)中的應(yīng)用.

1 F-P干涉儀的基本原理

F-P干涉儀通常由2塊平行放置的平板玻璃構(gòu)成，2塊玻璃相對(duì)的內(nèi)表面都具有高反射率. 當(dāng)入射光進(jìn)入F-P干涉儀中，在2塊平板玻璃之間來回多次反射，當(dāng)入射光的頻率滿足其共振條件時(shí)，透射頻譜會(huì)出現(xiàn)很高的峰值，對(duì)應(yīng)很高的透射率. 在實(shí)際應(yīng)用中，由于F-P干涉儀對(duì)2塊平板玻璃的平行度要求很高，人們又制造出球面鏡F-P干涉儀，如圖1所示. 球面鏡F-P干涉儀是共焦腔，干涉儀中的平板玻璃使用2塊曲率半徑相同的且在內(nèi)側(cè)鍍有高反射膜的球面鏡代替，兩球面鏡之間的距離即為腔長，大小等于球面鏡的曲率半徑. 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)波長的掃描，將其中一塊球面鏡設(shè)置為定鏡，另一塊球面鏡固定在壓電陶瓷上，作為動(dòng)鏡(隨著電壓的線性變化可以前后移動(dòng)). 光線進(jìn)入干涉儀后被反射4 次，最終出射的光滿足諧振條件:4d=kλ，k=1,2,3…其中，d為腔長，λ為光的波長. 當(dāng)利用電壓驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷改變腔長為d′時(shí)，滿足諧振條件4d′=kλ′,k=1,2,3…的波長為λ′的光才能出射，而其他波長的光將被相互抵消[3]，實(shí)現(xiàn)濾波的效果，從而可以得到特定頻率或波長的信號(hào). 因此，如果讓寬帶的光脈沖信號(hào)通過該球面鏡F-P干涉儀，最后出射的脈沖信號(hào)是滿足諧振條件的窄帶脈沖.

圖1 球面鏡F-P干涉儀[3]

2 F-P干涉儀的應(yīng)用

2.1 用于飛秒受激拉曼光譜

拉曼光譜是基于拉曼散射效應(yīng)的散射光譜，是分析分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的有效工具，可以反映樣品分子結(jié)構(gòu)以及動(dòng)力學(xué)等特征. 隨著激光及非線性光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用拉曼光譜技術(shù)可以測(cè)量樣品激發(fā)態(tài)上的分子振動(dòng)模式，從而將其與基態(tài)進(jìn)行區(qū)分[4]. 飛秒受激拉曼光譜(Femtosecond stimulated Raman spectroscopy,FSRS)是一種前沿的時(shí)間分辨振動(dòng)光譜技術(shù)，它將拉曼光譜對(duì)分子振動(dòng)的靈敏度和超快時(shí)間分辨技術(shù)相結(jié)合，可用在飛秒時(shí)間分辨率研究分子激發(fā)態(tài)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特征. 例如光合作用體系中的激發(fā)態(tài)質(zhì)子傳遞過程通常發(fā)生在10 fs～102ps時(shí)間尺度上，因此必須使用FSRS等具有飛秒時(shí)間分辨率的光譜技術(shù)才能有效探測(cè)到此過程中分子結(jié)構(gòu)的變化[5].

FSRS的實(shí)現(xiàn)需要寬帶飛秒泵浦脈沖和探測(cè)脈沖同步的窄帶寬皮秒拉曼泵浦脈沖. 因此，需要利用飛秒激光器產(chǎn)生的飛秒脈沖產(chǎn)生窄帶寬脈沖，常用的方法包括光柵濾波和窄帶寬干擾濾波技術(shù). 然而光柵濾波技術(shù)的能量效率較低，窄帶寬干擾濾波技術(shù)的調(diào)諧范圍小、帶寬大，且容易受到激光損傷. F-P干涉儀對(duì)待透過的光具有選擇性，滿足諧振條件的光才能出射，因此利用其制作濾波器. F-P濾波器具有高能量透過率和更小的帶寬，彌補(bǔ)了光柵濾波器和窄帶寬干擾濾波器的劣勢(shì).

F-P濾波器得到的時(shí)域脈沖形狀相比光柵濾波器、窄帶寬干擾濾波器得到的脈沖形狀更適合應(yīng)用于FSRS. 一般來說，光柵濾波器和窄帶寬干擾濾波器得到的脈沖通常是高斯線型(圖2)，但是如果帶寬調(diào)節(jié)得不夠窄，產(chǎn)生的脈沖信號(hào)兩端會(huì)出現(xiàn)其他振蕩線型，導(dǎo)致脈沖的線型發(fā)生變化，干擾后續(xù)的FSRS信號(hào)分析.

圖2 光柵濾波器和F-P干涉儀濾波器輸入和 輸出脈沖的時(shí)域波形示意圖[6]

實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果如圖3～4所示.

圖3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量拉曼泵浦和探測(cè)脈沖之間的時(shí)間延遲對(duì)苯的992 cm-1模式的受激拉曼信號(hào)的影響比較[6]

圖4 使用本文概述的理論對(duì)圖3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬[6]

可以看出，使用光柵濾波器時(shí)拉曼泵浦和探測(cè)脈沖之間的時(shí)間延遲對(duì)譜線形狀也會(huì)產(chǎn)生較大影響[圖3(a)和圖4(a)]. F-P濾波器得到的通常是時(shí)域不對(duì)稱的線型(圖2)，研究發(fā)現(xiàn)，帶寬僅影響線型的寬度，并不會(huì)影響脈沖的線型. 而且時(shí)域非對(duì)稱線型可以有效地抑制非共振背景，同時(shí)增強(qiáng)信號(hào)的強(qiáng)度[圖3(b)和圖4(b)]，拉曼泵浦和探測(cè)脈沖之間的時(shí)間延遲對(duì)譜線形狀產(chǎn)生的影響相對(duì)較小[圖3(c)和圖4(c)]. 這對(duì)于FSRS實(shí)驗(yàn)來說是非常有利的[6-7].

2.2 用于和頻振動(dòng)光譜

和頻振動(dòng)光譜(Sum-frequency generation spectroscopy，SFG)是非線性激光光譜技術(shù)[8]，主要用于物質(zhì)界面和表面的分析. SFG對(duì)物質(zhì)的表界面極為敏感，可以用于探測(cè)氣/液、氣/固、液/固、固/固等表界面處分子的振動(dòng)模式. 大多數(shù)光譜學(xué)方法研究的是物質(zhì)體相的光譜，SFG具有獨(dú)特的界面選擇性，使得人們可以專門研究界面處的物質(zhì)的光譜，這促進(jìn)了表面科學(xué)和界面科學(xué)的發(fā)展[9].

SFG通常使用2束激光脈沖在物質(zhì)表界面處重疊，其中一束激光為頻率固定的可見光，稱為可見泵浦脈沖;另一束激光為頻率可以調(diào)節(jié)的紅外光，稱為紅外探測(cè)脈沖[10]. 當(dāng)紅外光的能量被分子吸收之后，能夠?qū)崿F(xiàn)分子從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷，同時(shí)可見光能通過反斯托克斯拉曼過程讓分子向能量更高的受激虛態(tài)躍遷. 由于受激虛態(tài)的不穩(wěn)定性，分子又會(huì)躍遷回基態(tài)，此時(shí)將會(huì)產(chǎn)生光子，頻率為2種入射光的頻率之和. 發(fā)出的光信號(hào)具有特定的角度，并且能被探測(cè)到，因而通過監(jiān)測(cè)入射光和出射光信號(hào)，能夠得到有關(guān)物質(zhì)界面分子振動(dòng)模式的信息.

在皮秒激光系統(tǒng)中，紅外光光譜帶寬較窄(最常見的為～6 cm-1)，要想獲得完整的光譜，需要讓光束在整個(gè)波段范圍內(nèi)依次進(jìn)行掃描，該方法稱為掃描SFG技術(shù). 在飛秒激光系統(tǒng)中，飛秒紅外脈沖光譜帶寬較大(～100 fs脈沖對(duì)應(yīng)150～200 cm-1光譜帶寬)，如果光譜范圍完全被紅外脈沖帶寬所覆蓋，則需要進(jìn)行光譜掃描，該方法稱為寬帶SFG(BB-SFG)技術(shù). 實(shí)驗(yàn)表明，降低可見光窄帶脈沖的帶寬能有效提高BB-SFG光譜的分辨率. 王鴻飛研究組利用同步的飛秒激光器和皮秒激光器分別產(chǎn)生的寬帶飛秒脈沖和窄帶皮秒脈沖，實(shí)現(xiàn)了0.6 cm-1的高光譜分辨率[11]. 除此之外，還可以通過使用光柵和狹縫的組合或者F-P標(biāo)準(zhǔn)具來實(shí)現(xiàn)，其中F-P標(biāo)準(zhǔn)具相對(duì)來說更能節(jié)省空間.

圖5為使用F-P標(biāo)準(zhǔn)具降低可見光脈沖帶寬的BB-SFG實(shí)驗(yàn)裝置圖. 通過光參量放大器生成的是寬帶紅外脈沖，通過F-P標(biāo)準(zhǔn)具產(chǎn)生的是窄帶可見皮秒脈沖，這種窄帶可見光脈沖也是時(shí)域非對(duì)稱的脈沖，能夠有效降低SFG光譜的非共振背景[7].

圖5 BB-SFG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[7]

為了達(dá)到最佳效果，Kim研究組使用了2個(gè)F-P標(biāo)準(zhǔn)具來提高光譜分辨率[12]. 使用2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具得到的窄帶寬脈沖光譜相對(duì)于使用1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具得到的光譜來說，干擾顯著降低了[13]. 由圖6可以清楚地看到，使用2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行過濾，能有效降低脈沖的帶寬，從而提高SFG光譜的分辨率.

圖6 不使用標(biāo)準(zhǔn)具得到的脈沖信號(hào)(黑色)和分別使用1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具(紅色)、2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具(藍(lán)色)過濾后的脈沖信號(hào)對(duì)比示意圖[12]

2.3 用于二維紅外光譜

量子系統(tǒng)的許多重要性質(zhì)不能從線性光譜學(xué)中推斷出來，而必須用非線性光譜技術(shù)來研究. 二維紅外光譜是近幾十年發(fā)展起來的三階非線性超快時(shí)間分辨光譜技術(shù). 二維紅外光譜圖具有2個(gè)光頻率維度，第3個(gè)維度則是二維光譜峰的強(qiáng)度. 由于通常使用等高線圖，因此通常展示為二維的光譜圖，該二維光譜圖揭示了激發(fā)頻率和探測(cè)頻率之間的相關(guān)性. 與其他超快光譜方法相比，二維紅外光譜是同時(shí)具有高時(shí)間分辨率和高光譜分辨率的非線性光譜方法，可用于在飛秒時(shí)間尺度上實(shí)現(xiàn)各種超快過程. 近年來，二維紅外光譜方法在前沿研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用. 二維紅外光譜包含有關(guān)研究系統(tǒng)的大量信息，其峰值幅度、位置和線形與系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的各種過程有關(guān). 二維紅外光譜中沿對(duì)角線的峰稱為對(duì)角峰，其反映了對(duì)應(yīng)的線性吸收光譜的動(dòng)態(tài)信息. 不在對(duì)角線上的峰稱為交叉峰，其出現(xiàn)意味著研究系統(tǒng)的2個(gè)對(duì)應(yīng)能級(jí)是耦合的，此時(shí)，當(dāng)飛秒激光脈沖泵浦其中一個(gè)能級(jí)時(shí)，另一個(gè)能級(jí)會(huì)做出響應(yīng). 這種耦合可能與分子之間的能量轉(zhuǎn)移、電荷轉(zhuǎn)移和振動(dòng)耦合等過程有關(guān). 二維紅外光譜可以觀察分子中不同振動(dòng)模式之間的相互作用，從中可以獲得有關(guān)分子結(jié)構(gòu)、能量轉(zhuǎn)移或電子轉(zhuǎn)移的信息. 并且可以提供遠(yuǎn)多于一維紅外光譜所能提供的信息. 例如，當(dāng)1組吸收峰包含許多具有相近振動(dòng)模式的基團(tuán)時(shí)，可以分辨一維紅外光譜無法分辨的不同振動(dòng)模式. 因此，二維紅外光譜可以用來更好地區(qū)分不同的分子，尤其是結(jié)構(gòu)相似的分子.

目前，對(duì)于二維紅外光譜實(shí)驗(yàn)裝置的光學(xué)設(shè)計(jì)，存在多種方法，且每種方法都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和局限性. 最早的二維紅外光譜由Hochstrasser研究組通過燒孔法實(shí)現(xiàn)[14]，該方法通過用窄帶泵浦脈沖掃描不同泵浦波長來記錄二維光譜，其本質(zhì)是具有泵浦波長分辨的泵浦-探測(cè)實(shí)驗(yàn).

基于F-P濾波器的燒孔法二維紅外光譜實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示[15]，首先將1束強(qiáng)而超短(通常為100 fs)的寬帶(約為200 cm-1)紅外激光脈沖[16]分成2束，能量小的光束作為探測(cè)光，能量大的光束進(jìn)入可調(diào)F-P濾波器，出射的紅外脈沖從寬帶寬的飛秒光(～150 cm-1，100 fs)變成了窄帶寬的皮秒光(～15 cm-1，1.5 ps). 利用該皮秒光作為泵浦脈沖對(duì)樣品進(jìn)行激發(fā)，經(jīng)過一定時(shí)間延遲后再通過寬帶寬的探測(cè)脈沖探測(cè)樣品被激發(fā)后的情況. 經(jīng)過樣品后，探測(cè)脈沖通過光柵分光然后由紅外檢測(cè)器探測(cè)光強(qiáng)度. 通過掃描泵浦脈沖的波長，可得到特定時(shí)間延遲的二維紅外光譜. 再改變時(shí)間延遲得到一系列二維紅外光譜，通過分析得到分子振動(dòng)的演化過程，從而得到有關(guān)分子結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)變化的信息[17].

圖7 基于F-P濾波器的燒孔法二維紅外光譜 實(shí)驗(yàn)示意圖[15]

在基于F-P濾波器的燒孔法二維紅外光譜實(shí)驗(yàn)中，激發(fā)頻率由F-P干涉儀掃描皮秒光的頻率得到(改變加在壓電片上的電壓)，檢測(cè)頻率由光柵光譜儀和線陣探測(cè)器探測(cè). 因此，最后的二維光譜圖譜沒有由時(shí)間抖動(dòng)引起的相位差[17].

一般來說，相對(duì)于傅里葉變換二維紅外光譜，基于F-P濾波器的燒孔法二維紅外光譜是更簡單、更快速的實(shí)驗(yàn)，需要控制的實(shí)驗(yàn)參量也更少，它合適于研究比較慢的動(dòng)態(tài)變化(慢于1 ps). 此外二維紅外光譜技術(shù)具有更大的靈活性，例如測(cè)量特定的耦合無需掃描完整二維紅外光譜，只需要探測(cè)特定的一段泵浦頻率范圍[18].

3 結(jié)束語

本文介紹了F-P腔的多光束干涉原理，分析了其產(chǎn)生窄帶寬脈沖從而具有高光譜分辨能力的原因，進(jìn)而介紹了其在飛秒受激拉曼光譜、和頻振動(dòng)光譜和二維紅外光譜技術(shù)中的應(yīng)用. F-P干涉儀作為濾波器能夠通過改變壓電陶瓷電壓來改變腔長，調(diào)整帶寬產(chǎn)生窄帶寬脈沖，進(jìn)而提高光譜的分辨率. 相比于光柵濾波器和窄帶寬干擾濾波器，F(xiàn)-P濾波器具有高能量透過率和更小的帶寬. 在飛秒受激拉曼光譜中，F(xiàn)-P濾波器得到的通常是時(shí)域不對(duì)稱的線型，可以有效抑制非共振背景，同時(shí)增強(qiáng)信號(hào)的強(qiáng)度. 基于F-P濾波器的燒孔法二維紅外光譜里沒有由時(shí)間抖動(dòng)引起的相位差. 通過對(duì)F-P干涉儀原理和應(yīng)用的介紹，旨在說明其在前沿光譜技術(shù)中的重要應(yīng)用意義，同時(shí)也為光學(xué)原理的教學(xué)和科普工作提供參考. 在當(dāng)前物理教學(xué)中，越發(fā)注重知識(shí)的應(yīng)用性和創(chuàng)新性. 希望通過本文的介紹，能為相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供啟發(fā).