光波长计：精准测量光的 “标尺”

　　前言

　　在光学研究和激光应用中，精确测量光的波长是一项基础且关键的任务。虽然单色仪和光学光谱分析仪这类仪器能够测量从灯泡到激光器的各种光源波长，但它们的精度严重依赖于多个机械部件的精密程度和初始校准的质量。这是因为它们采用的是间接分析方法，通常依靠精密机构驱动的衍射光栅来分光。即便有实时参考，也往往只针对单一波长，在远离参考点的波长处可能会产生显著误差。

　　对于宽带光源或具有多条谱线的光源，上述技术通常是最简单快捷的选择。但当需要极其精确地测量单波长连续波(CW)激光器的输出时，科学家们更倾向于使用另一种专门的仪器 :光波长计。这类仪器的精度和分辨率比单色仪或光谱分析仪高出数个数量级，甚至能够测量脉冲激光器的波长。

　　经典波长计的工作原理：迈克尔逊干涉仪的巧妙应用

　　目前最常见的波长计设计其核心原理是利用迈克尔逊干涉仪，将未知波长的输入光与已知波长的参考激光进行对比。

　　具体来说，仪器内部有一个由电机驱动的机构，会周期性地改变干涉仪两臂的光程差。在光程差变化的过程中，未知光源和参考激光会同时产生干涉条纹。仪器会在一个固定的时间段内(通常选择在光程差较小的区间，以最小化未知激光相干长度的影响)，分别计数两种光源产生的干涉条纹数量。

　　未知波长与参考波长的关系可以通过条纹数的比值简单计算得出：如果需要显示波长(单位为纳米)，就用参考波长除以未知条纹数与参考条纹数的比值(N/No);如果需要显示波数(光谱学中常用的单位，即 1 厘米长度内包含的波长数，单位为 cm⁻¹)，则用参考波数乘以这个比值。这些计算可以通过数字计数器和简单的控制逻辑轻松完成，与普通电子计数器 / 计时器的原理类似。为了进一步提高分辨率，仪器通常会对参考和未知探测器的信号使用锁相环(PLL)技术来倍增条纹计数。

　　参考激光：波长计的 “标准尺”

　　波长计的精度首先取决于参考激光的稳定性。

　　绝大多数经典波长计都使用红色氦氖(HeNe)激光器作为参考源。输出功率在 0.5-2mW 之间的氦氖激光器基本都能满足需求。如果替换的激光头电气不兼容，也可以轻松更换其他氦氖电源。

　　唯一需要注意的是偏振问题：如果使用随机偏振的激光器，可能会导致参考信号幅度在模式扫描时出现较大波动，此时需要用可变中性密度滤光片替代偏振衰减器;或者在激光器前加一个 45 度的线偏振片，将其转换为等效的随机偏振光，虽然会损失约 50% 的功率，但对于只需要极低功率的波长计来说完全不成问题。

　　不过，有一个细节会对测量结果产生微小但可察觉的影响：氦氖激光管中氖气的同位素比例。不同的同位素比例会使氖的增益曲线峰值偏移近 1GHz(约 1.4pm)，这已经超过了一般波长计显示的最低有效位。此外，参考激光的模式扫描也会带来频率变化。

　　即使是未稳频的氦氖激光器，只要气体成分已知，其波长精度也能优于 1×10⁻⁶。如果使用锁定在增益曲线上的稳频氦氖激光器，精度还能再提高两个数量级;而碘线稳频的氦氖激光器则能提供更高的精度。一些后期的 Burleigh/EXFO 波长计就内置了这种稳频参考激光器。

　　另一个重要的误差来源是空气折射率的变化。在 400-1000nm 的典型测量范围内，空气折射率会随波长、温度和气压变化。为了提高精度，一些早期的波长计会将干涉仪光学系统置于真空室中(气压低于10Torr)。但更简单且几乎同样有效的方法是使用查找表进行波长校正，只需实时测量环境的气压和温度即可。

　　扩展技术与其他设计路线

　　值得一提的是，上述基于条纹计数的波长计，其实是更通用的傅里叶变换光谱学技术的一个子集。傅里叶变换光谱仪能够处理任意光谱，它不是简单地计数条纹，而是对光程差扫描过程中产生的干涉条纹波形进行傅里叶变换。对于单频激光器这样的单光谱峰，傅里叶变换结果就是一个单峰;对于多峰光源，虽然干涉条纹看起来复杂，但傅里叶变换后就能得到清晰的光谱。

　　当然，波长计也有其他技术路线。

　　扫描法布里 - 珀罗干涉仪(SFPI)可能具有更高的分辨率，但除非采用额外的复杂技术，否则其绝对波长或频率的精度和稳定性通常较差。

　　而更高性能的现代波长计则采用了菲佐(Fizeau)干涉仪设计，完全没有运动部件。它通过多个楔形标准具产生与光源波长相关的干涉条纹，再由 CCD 阵列采集条纹图像并通过软件分析。这类仪器能够测量脉冲激光，显示速率高达数百赫兹(远高于电机驱动干涉仪的几赫兹)，并且对对准问题的耐受性更强。