基于濾波片吸收特性的全自動單色光波長測量裝置

高貽鈞 魏 薇

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)物理系，湖北 武漢 430070)

1 導(dǎo)出問題

光源波長的測量是高等學(xué)校理工科專業(yè)學(xué)生大學(xué)物理實驗教學(xué)中的一個基本內(nèi)容，目前單色光源波長測量方法很多是利用光的干涉性進(jìn)行測量，主要有雙縫干涉法測量激光波長、邁克耳孫干涉儀測量連續(xù)激光波長、牛頓環(huán)測量激光波長以及光學(xué)劈尖干涉測量激光波長等方法。這些方式存在的缺陷是檢測設(shè)備體積大、重量大，調(diào)節(jié)時間長和測量效率低。本文設(shè)計制作一種基于濾波片光譜吸收特性的單色光波長全自動測量裝置，具有操作簡便、檢測快捷、結(jié)果準(zhǔn)確、成本低廉、結(jié)構(gòu)輕便等優(yōu)點。

2 實驗原理

帶通濾波片按照光譜特性大致分為窄帶濾波片和寬帶濾波片。在寬帶濾波片中，有一種濾波片在通帶內(nèi)光強(qiáng)衰減幅度對波長的區(qū)分度較好，具備較寬的單調(diào)上升或下降區(qū)間。在單調(diào)區(qū)間內(nèi)，可以根據(jù)衰減幅度確定出光波的對應(yīng)波長。基于濾波片吸收特性的全自動光波長測量裝置，就是根據(jù)帶通濾波片的波長—透射率特性來測量光波波長。

從帶通濾波片的波長—透射率特性曲線(見圖1)可以看出，在整個通帶內(nèi)根據(jù)透射率可分為單調(diào)上升區(qū)、過峰區(qū)和單調(diào)下降區(qū)。除頂點外，對于一塊濾波片同一個透射率往往對應(yīng)有兩個或多個波長值，這樣就無法根據(jù)單個濾波片的透射率準(zhǔn)確確定波長。

圖1 波長—透射率關(guān)系曲線(帶通濾波片)

為此可以選擇特性峰值不同的兩塊濾波片，根據(jù)兩塊濾波片波長—透射率特性曲線，將波長分為不同區(qū)域，使得在一定波長區(qū)域內(nèi)，某一濾波片的透射率隨波長單調(diào)變化，則將這一濾波片作為此波長區(qū)域的有效測量波片。通過合理選擇濾波片組合，最終實現(xiàn)大范圍的單色光波波長的分區(qū)域互補(bǔ)測量。

通過對市面上多個不同型號帶通濾波片光譜特性的測量，選取了兩塊中心峰值波長分別為545nm和600nm的帶通濾波片。兩塊濾波片的波長—透射率特性曲線如圖2所示。通過對兩塊濾波片波長—透射率特性曲線的特征及波長疊加區(qū)域的分析，將波長分成了A、B、C和D 4個區(qū)域。如圖可見，在每個區(qū)域內(nèi)，都有一塊濾波片的波長—透射率具有很好的單調(diào)性。因此選擇單調(diào)性最好的一塊濾波片作為這一波長范圍的有效測量波片。例如A區(qū)選擇545nm波片作為有效測量波片；B區(qū)選擇600nm波片作為有效測量波片(用黑色圓點標(biāo)出對應(yīng)的有效測量曲線)。利用Origin對有效測量曲線進(jìn)行函數(shù)擬合，給出波長(透射率)函數(shù)關(guān)系，如下：

圖2 波長—透射率關(guān)系曲線(兩塊濾波片)

A區(qū)測量曲線的擬合函數(shù)：

B區(qū)測量曲線的擬合函數(shù)：

C區(qū)測量曲線的擬合函數(shù)：

D區(qū)測量曲線的擬合函數(shù)：

其中，λ為波長；Q為透射率。分區(qū)后的有效測量曲線具有很高的單調(diào)性，采用5階次的多項式擬合時，相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.9996以上，保證了此測量方法的準(zhǔn)確性。

實驗中，測量通過濾波片的光強(qiáng)，計算濾波片透射率，選擇有效的測量曲線擬合函數(shù)，則可得到光波波長。這兩塊濾波片可以實現(xiàn)波長范圍為(480～700)nm的單色光波波長的測量。

3 實驗裝置的設(shè)計與制作

3.1 裝置設(shè)計

根據(jù)上述實驗基本原理，實驗裝置的設(shè)計流程如圖3所示。選擇半導(dǎo)體激光器激光作為光源，將激光通過濾波片轉(zhuǎn)盤。濾波片轉(zhuǎn)盤是切換濾波片、完成自動測量的重要部件。轉(zhuǎn)盤上有n個窗孔(n≥3)，其中有直通孔和兩個或多個濾波片窗孔。直通窗孔不放置濾波片，實現(xiàn)激光實際功率的測量，其他窗孔放置不同的濾波片，實現(xiàn)激光透過濾波片衰減以后的功率測量。

圖3 實驗裝置設(shè)計流程

窗孔環(huán)繞轉(zhuǎn)盤中心等距均勻分布，轉(zhuǎn)盤在電機(jī)帶動下轉(zhuǎn)動。待測激光垂直穿過窗孔、射向固定在轉(zhuǎn)盤后方位置上的光電傳感器。隨著轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動，光電傳感器上得到一系列光脈沖信號。為了正確識別檢測窗孔位置與對應(yīng)的光脈沖，驅(qū)動轉(zhuǎn)盤的電機(jī)可以采用步進(jìn)電機(jī)，在微處理器控制下切換窗孔，也可以采用直流減速電機(jī)直接驅(qū)動轉(zhuǎn)盤，用光電門或霍爾器件從轉(zhuǎn)盤上提取轉(zhuǎn)動同步信號。

光電傳感器將光脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘査腿霗z測電路，檢測電路的功能是對光電傳感器送來的電流脈沖信號進(jìn)行放大、峰值捕獲和功率測量，同時也接收轉(zhuǎn)盤同步信號或輸出步進(jìn)驅(qū)動信號來配合測量。經(jīng)濾波片測量窗孔測得的功率與直通窗孔測得的功率的比值就是此濾波片的透射率。

根據(jù)實際測得兩濾波片的透射率Q600和Q545，再由波長—透射率分區(qū)特征(圖2)選擇分區(qū)。選擇分區(qū)過程如圖4所示，流程圖中Qab為 A、B兩區(qū)分界處600nm波片的透射率，Qcd為C、D兩區(qū)分界處545nm波片的透射率。根據(jù)分區(qū)后對應(yīng)區(qū)域的波長—透射率擬合函數(shù)曲線，輸入透射率值得到對應(yīng)波長。最后通過LCD顯示出結(jié)果。

圖4 選擇分區(qū)過程示意圖

3.2 裝置制作

圖5為裝置主體結(jié)構(gòu)圖以及實物圖。絕緣底板1上通過螺母固定4根圓柱形金屬支架立柱3，金屬立柱上方蓋有絕緣頂板4，信號處理電路板7和液晶顯示屏6通過螺栓和螺柱固定在絕緣底板上方。入射的待測激光經(jīng)導(dǎo)向管2射入，濾波片轉(zhuǎn)盤5以恒定角速度旋轉(zhuǎn)，連續(xù)的激光通過濾波片轉(zhuǎn)盤檢測窗孔，變成幅度不同的脈沖激光。該脈沖激光被后方的光電傳感器接收，轉(zhuǎn)變成幅度不同的脈沖電流送至信號處理電路板7。圓盤上的圓孔每旋轉(zhuǎn)一周使底板上的光電門產(chǎn)生一個脈沖同步信號，此同步信號通過數(shù)據(jù)線輸入信號處理電路板。圓盤轉(zhuǎn)速約為600r/min，每秒可以完成10次測量。微處理器根據(jù)曲線分區(qū)特征，選擇擬合表達(dá)式求出波長。

圖5 裝置主體結(jié)構(gòu)及實物圖1—絕緣底板； 2—導(dǎo)向管； 3—金屬支架立柱； 4—絕緣頂板； 5—濾波片轉(zhuǎn)盤； 6—液晶顯示屏； 7—電路板

4 實驗結(jié)果及總結(jié)

為了檢測此光波波長測量裝置的測量準(zhǔn)確度，用3種半導(dǎo)體激光器進(jìn)行了檢測。如下表所示，裝置測量相對誤差均小于1%，裝置具有較高的測量準(zhǔn)確度。

基于濾波片吸收特性的全自動光波長測量裝置具有以下顯著優(yōu)點：

表 測量結(jié)果

(1) 本測量裝置操作簡單方便，自動化程度高。電機(jī)帶動轉(zhuǎn)盤或轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)直通窗口與不同濾波片測量窗口的自動切換，無需人工干預(yù)。

(2) 本測量裝置采集數(shù)據(jù)速度快，測量誤差小。測量裝置中的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速可以達(dá)600r/min以上，信號處理單元采用高速微處理器，測量速度可達(dá)10次/s以上。由光譜儀自動掃描獲取濾波片數(shù)據(jù)，信息量大，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。透射率—波長擬合表達(dá)式相關(guān)系數(shù)高，計算波長精準(zhǔn)。

(3) 光波長測量結(jié)果通過液晶顯示屏直觀顯示。

(4) 結(jié)構(gòu)緊湊抗干擾易便攜化，可制作成小型光波測量便攜設(shè)備。另外本文中選擇的兩塊濾波片可以實現(xiàn)波長范圍為480～700nm的單色光波波長的測量。如果更換不同帶通濾波片可以實現(xiàn)不同的波長測量范圍，或者通過添加第三塊、第四塊濾波片來拓寬測量范圍。