邁克爾遜干涉儀條紋采集和波長測量裝置設(shè)計(jì)*

楊運(yùn)升，杜 凱，吳家根，袁華超，李興鰲

（南京郵電大學(xué)，江蘇 南京210003）

邁克爾遜干涉儀測激光波長實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中占有重要地位。然而，在此實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)者要目不轉(zhuǎn)睛地緊盯著觀測屏，記錄干涉條紋變化次數(shù)，這樣易造成視覺疲勞。為了減少測量誤差，分多組測量條紋數(shù)等數(shù)據(jù)，就會使操作繁瑣耗時(shí)，對眼睛造成一定程度的損傷[1]。因此，為了方便實(shí)驗(yàn)，提高波長測量的精度，在原邁克爾遜干涉儀的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套結(jié)構(gòu)簡單的裝置，該裝置不僅減少了實(shí)驗(yàn)者的手工化勞動強(qiáng)度，節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間，減少了眼睛觀察明暗條紋的疲勞感和激光對眼睛的傷害，同時(shí)不影響學(xué)生對實(shí)驗(yàn)干涉原理的理解，使實(shí)驗(yàn)的計(jì)數(shù)和波長的測量自動化，更加準(zhǔn)確。

1 裝置設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新地實(shí)現(xiàn)了基于單片機(jī)的邁克爾遜干涉儀的干涉條紋自動計(jì)數(shù)和波長的自動測量。該裝置由邁氏干涉儀、光敏傳感單元、旋轉(zhuǎn)編碼器、單片機(jī)和LCD等組成，其工作流程如圖1所示。先利用光敏傳感單元采集變化的干涉條紋，產(chǎn)生與之對應(yīng)的電脈沖信號，同時(shí)旋轉(zhuǎn)編碼器可測出微調(diào)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)過的角位移，由單片機(jī)采集處理，設(shè)計(jì)程序計(jì)算出動鏡移動的距離，得出波長，最后通過LCD顯示。

圖1 裝置工作流程示意圖

1.1 干涉條紋的采集

光敏傳感模塊由光敏電阻和閾值比較電路組成。將光敏電阻安置于觀察屏的干涉圓環(huán)中心[2]，探測圓心處光強(qiáng)的變化。然后接入閾值比較電路[3]，如圖2所示，干涉圓環(huán)中心的每一次明暗變化將被轉(zhuǎn)換為一個(gè)電脈沖。通過計(jì)數(shù)電脈沖，則得到變化的干涉環(huán)數(shù)N。

同時(shí)，R1、R2（單位：kΩ）為滑動變阻器，可以根據(jù)周圍不同的背景光強(qiáng)，在滑動變阻器允許的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)使其達(dá)到要求即可。

1.2 動鏡移動距離

圖2 閾值比較電路圖

角位移編碼器是根據(jù)光電計(jì)數(shù)的原理，將轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)化為電脈沖個(gè)數(shù)的傳感器件。將其通過聯(lián)軸器固定在邁克爾遜干涉儀的微調(diào)轉(zhuǎn)輪上。當(dāng)實(shí)驗(yàn)者轉(zhuǎn)動微調(diào)轉(zhuǎn)輪時(shí)，角位移編碼器隨之轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生脈沖信號，并傳入單片機(jī)進(jìn)行處理，得出動鏡移動的距離。具體轉(zhuǎn)化處理過程如下。

通常選用較大分辨率 （脈沖每轉(zhuǎn)PPR（Pulse Per Revolution））的編碼器以提高精確度，如500 PPR。邁克爾遜干涉儀微調(diào)轉(zhuǎn)輪每轉(zhuǎn)一周動鏡移動0.01 mm，則角位移編碼器每個(gè)脈沖對應(yīng)的動鏡移動距離為（單位為mm）：

選用一定分辨率的旋轉(zhuǎn)編碼器可使其分度值達(dá)到納米級。

若旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生M個(gè)脈沖，對應(yīng)的動鏡移動距離為（單位為mm）：

1.3 波長的自動測量

根據(jù)邁克爾遜干涉儀的原理[4]，實(shí)驗(yàn)中激光波長計(jì)算公式為：

綜合式（1）、（2）、（3），可得利用此裝置的激光波長計(jì)算公式：

其中，N為干涉條紋變化周期數(shù)，M為旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生脈沖，n為所選旋轉(zhuǎn)編碼器分辨率（PPR）。

所測波長與理論波長值的百分誤差為：

其中，λ理=632.8 nm

1.4 LCD數(shù)據(jù)顯示

液晶顯示器（LCD）是通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達(dá)到顯示的目的，利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進(jìn)行控制。

由單片機(jī)處理的數(shù)據(jù)送入LCD顯示，LCD接收到數(shù)據(jù)即可按照編碼規(guī)則顯示出干涉環(huán)數(shù)目、動鏡移動距離Δd和試驗(yàn)所測得的波長λ。

液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn)，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口簡單可靠，操作方便。

1.5 軟件設(shè)計(jì)

該裝置要求設(shè)計(jì)完善的軟件程序，完成包含自檢、計(jì)數(shù)、顯示、鍵盤響應(yīng)、數(shù)據(jù)處理和中斷處理等在內(nèi)的功能，整個(gè)軟件流程如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

軟件設(shè)計(jì)中，首先檢測小鍵盤上清零鍵是否被按下，控制單片機(jī)將各數(shù)據(jù)清零，重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)分組多次測量。

比較器輸出端產(chǎn)生的高低變化的脈沖被送到單片機(jī)P1.4端口，干涉環(huán)數(shù)增1。同時(shí)，單片機(jī)P3.2端口引入外部中斷INT0，檢測來自旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖信號，低電平或下降沿有效，產(chǎn)生的脈沖自增1。數(shù)據(jù)處理過后，計(jì)算出波長，發(fā)送到LCD顯示。

軟件中使用了延時(shí)技術(shù)，確保傳入單片機(jī)的信號是有用信號，然后才自增1，有效地濾除電路噪聲產(chǎn)生的干擾脈沖，提高計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性。

2 實(shí)驗(yàn)效果與分析

表1所示的數(shù)據(jù)便是利用本裝置在原邁克遜干涉儀的基礎(chǔ)上測出來的，分度值為納米級，可見確實(shí)提高了實(shí)驗(yàn)的精確性[5]。為了便于比較，實(shí)驗(yàn)同時(shí)計(jì)算出了其百分誤差。

表1 裝置測量數(shù)據(jù)

一般而言，此實(shí)驗(yàn)人工計(jì)數(shù)并測量出的波長誤差較大，而利用本裝置所測得的數(shù)據(jù)百分誤差只有0.5%～1.7%，精確度較高。而且，隨著測量環(huán)數(shù)的增加，誤差逐漸減小。

本裝置簡易便捷，其中光敏傳感模塊的設(shè)計(jì)亦可用于其他有關(guān)光電轉(zhuǎn)化的領(lǐng)域，用途廣泛。而且運(yùn)用該裝置提高了實(shí)驗(yàn)精度，彌補(bǔ)了邁克爾遜干涉儀的弊端，可以廣泛應(yīng)用于改進(jìn)現(xiàn)有的邁克爾遜干涉儀裝置，提高了教學(xué)質(zhì)量。

[1]高友，姜玉生.用開關(guān)型光傳感器改進(jìn)邁克爾遜測量激光波長實(shí)驗(yàn)[J].遼東學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，16（2）：118-120.

[2]陳用，邁克爾遜干涉儀測光波波長讀數(shù)方法的改進(jìn)[J].湛江師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，24（3）：100-102.

[3]李暉，徐恩生，劉庭欣.邁克耳孫干涉儀讀數(shù)器的設(shè)計(jì)[J].沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，21（2）：71-72.

[4]李三龍，葛智勇，李永濤，等.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：高等教育出版社，2011.

[5]王利強(qiáng)，左愛斌，彭月祥.光波長測量儀器的分類原理及研究進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào)，2005，23（6）：31-33.