邁克爾遜干涉儀條紋采集和波長測量裝置設計*

楊運升，杜 凱，吳家根，袁華超，李興鰲

（南京郵電大學，江蘇 南京210003）

邁克爾遜干涉儀測激光波長實驗在大學物理實驗中占有重要地位。然而，在此實驗中實驗者要目不轉睛地緊盯著觀測屏，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，就會使操作繁瑣耗時，對眼睛造成一定程度的損傷[1]。因此，為了方便實驗，提高波長測量的精度，在原邁克爾遜干涉儀的基礎上設計了一套結構簡單的裝置，該裝置不僅減少了實驗者的手工化勞動強度，節(jié)省實驗時間，減少了眼睛觀察明暗條紋的疲勞感和激光對眼睛的傷害，同時不影響學生對實驗干涉原理的理解，使實驗的計數(shù)和波長的測量自動化，更加準確。

1 裝置設計

本實驗創(chuàng)新地實現(xiàn)了基于單片機的邁克爾遜干涉儀的干涉條紋自動計數(shù)和波長的自動測量。該裝置由邁氏干涉儀、光敏傳感單元、旋轉編碼器、單片機和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，產生與之對應的電脈沖信號，同時旋轉編碼器可測出微調轉輪轉過的角位移，由單片機采集處理，設計程序計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換為一個電脈沖。通過計數(shù)電脈沖，則得到變化的干涉環(huán)數(shù)N。

同時，R1、R2（單位：kΩ）為滑動變阻器，可以根據周圍不同的背景光強，在滑動變阻器允許的范圍內調節(jié)使其達到要求即可。

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光電計數(shù)的原理，將轉軸的旋轉角位移轉化為電脈沖個數(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轉輪上。當實驗者轉動微調轉輪時，角位移編碼器隨之轉動，產生脈沖信號，并傳入單片機進行處理，得出動鏡移動的距離。具體轉化處理過程如下。

通常選用較大分辨率 （脈沖每轉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轉輪每轉一周動鏡移動0.01 mm，則角位移編碼器每個脈沖對應的動鏡移動距離為（單位為mm）：

選用一定分辨率的旋轉編碼器可使其分度值達到納米級。

若旋轉編碼器產生M個脈沖，對應的動鏡移動距離為（單位為mm）：

1.3 波長的自動測量

根據邁克爾遜干涉儀的原理[4]，實驗中激光波長計算公式為：

綜合式（1）、（2）、（3），可得利用此裝置的激光波長計算公式：

其中，N為干涉條紋變化周期數(shù)，M為旋轉編碼器產生脈沖，n為所選旋轉編碼器分辨率（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)域進行控制。

由單片機處理的數(shù)據送入LCD顯示，LCD接收到數(shù)據即可按照編碼規(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)模集成電路直接驅動、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點，和單片機系統(tǒng)的接口簡單可靠，操作方便。

1.5 軟件設計

該裝置要求設計完善的軟件程序，完成包含自檢、計數(shù)、顯示、鍵盤響應、數(shù)據處理和中斷處理等在內的功能，整個軟件流程如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

軟件設計中，首先檢測小鍵盤上清零鍵是否被按下，控制單片機將各數(shù)據清零，重新進行實驗，實現(xiàn)分組多次測量。

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

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

2 實驗效果與分析

表1所示的數(shù)據便是利用本裝置在原邁克遜干涉儀的基礎上測出來的，分度值為納米級，可見確實提高了實驗的精確性[5]。為了便于比較，實驗同時計算出了其百分誤差。

表1 裝置測量數(shù)據

一般而言，此實驗人工計數(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計亦可用于其他有關光電轉化的領域，用途廣泛。而且運用該裝置提高了實驗精度，彌補了邁克爾遜干涉儀的弊端，可以廣泛應用于改進現(xiàn)有的邁克爾遜干涉儀裝置，提高了教學質量。

[1]高友，姜玉生.用開關型光傳感器改進邁克爾遜測量激光波長實驗[J].遼東學院學報，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[J].湛江師范學院學報，2003，24（3）：100-102.

[3]李暉，徐恩生，劉庭欣.邁克耳孫干涉儀讀數(shù)器的設計[J].沈陽航空工業(yè)學院學報，2004，21（2）：71-72.

[4]李三龍，葛智勇，李永濤，等.大學物理實驗[M].北京：高等教育出版社，2011.

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