Techniklexikon

Fabry-Pérot-Interferometer

Laserphysik und -technikOptik, ein um 1900 von C. Fabry und J.-B. Pérot entwickeltes Interferometer zur Spektroskopie, das die die Vielstrahlinterferenz ausnutzt. Das Interferometer besteht aus entweder aus zwei Glasplatten, die parallel mit einem schmalen Luftspalt dazwischen angeordnet sind, oder aus einem an zwei Seiten plan geschliffenen Glasblock. Besonders für letzteres wird auch die Bezeichnung Etalon (Fabry-Pérot-Etalon) verwendet. Der Plattenabstand kann im ersten Fall zum Einstellen der Wellenlänge variiert werden. Die reflektierenden Platten müssen eine sehr hohe Planität aufweisen (Abweichungen kleiner als l / 20) und werden häufig zusätzlich verspiegelt.

Das Licht tritt in das Interferometer durch die erste Glasplatte ein und wird dann zwischen der ersten und zweiten Platte (bzw. den Seiten des Glasblocks) mehrfach reflektiert. Ein kleiner Teil des Lichts tritt bei jeder (Teil-)Reflexion aus dem Interferometer aus und kann durch eine geeignete Linsenkombination abgebildet werden.

Untersucht man eine ausgedehnte monochromatische Lichtquelle mit einem Fabry-Pérot-Interferometer, dann erhält man das typische Fabry-Pérot-Ringsystem: konzentrische helle Interferenzringe, die nach aussen schmaler werden und an Intensität verlieren. Alle Punkte der Lichtquelle, die nicht auf der optischen Achse liegen, werden das Interferometer mit unterschiedlichen Winkeln b ¹ 0 durchlaufen. Für alle Winkel b_m, für die der Wegunterschied einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge entspricht, kommt es zur konstruktiven Interferenz, und man erhält man für den m-ten Ring (von innen) die Interferenzbedingung

,    m = 1, 2, 3, ...m₀l ist hier der Gangunterschied des innersten Rings. Aus den gemessenen Radien der Interferenzringe kann man schliesslich die Wellenlänge bestimmen.

Die Transmission von Licht durch ein Fabry-Pérot-Interferometer ist abhängig von der Wellenlänge des Lichtes, der Dicke d des Etalons (bzw. dem Abstand der reflektierenden Oberflächen), der Brechzahl n des Etalonmaterials (n = 1 für das Etalon aus zwei getrennten Glasplatten) und dem Winkel Q, in dem die planparallelen Oberflächen zum Strahl stehen, und lässt sich nach der Formel

berechnen, wobei d eine Abkürzung für

ist. Die Transmissionskurve wird üblicherweise in Abhängigkeit von der Wellenlänge und vom Winkel aufgetragen. Die Form der Transmissionskurve ist eine Airy-Funktion. Das Verhältnis von Transmissionsmaxima (T_max = 1) und Transmissionsminima wird Kontrast genannt und ist eine Masszahl dafür, wie gut die Transmissionsminima gegenüber den Maxima unterdrückt sind; der Kontrast K eines Etalons berechnet sich zu

Der Abstand zweier Maxima wird als freier Spektralbereich (FSR) angegeben und ist von der Dicke des Etalons abhängig,

Das Verhältnis des freien Spektralbereichs zur Linienbreite dl der Transmissionsmaxima heisst Finesse F des Etalons und ist von der Reflektivität der Oberflächen abhängig. Es gilt

wobei r die Reflektivität einer einzelnen Oberfläche ist. Oft findet man für die Finesse die Näherungsformel

die für r ³ 0,5 Ergebnisse im Rahmen eines Fehlers von ca. 10-20 % liefert.

Das Auflösungsvermögen l / Dl kann mit Hilfe der Airy-Formeln berechnet werden:

und liegt meist bei mehr als 1 000 000.

Das Fabry-Pérot-Interferometer mit zwei separaten Platten als kann auch als Laserresonator verwendet werden (Fabry-Pérot-Resonator). [MG2, PVDH, RS2]

Fabry-Pérot-Interferometer: Funktionsschema eines Fabry-Pérot-Interferometers.