數字抗震激光干涉儀的研究與設計

陳若輝，胡 悅，王建云，王海燕

（1.北華大學 物理學院，吉林 吉林132013；2.吉林化工學院 理學院，吉林 吉林132022）

1 引 言

邁克耳孫干涉儀測量激光波長實驗是經典的大學物理實驗，也是訓練學生操作能力和觀察能力的基礎實驗之一［1］.用傳統邁克耳孫干涉儀測量激光波長時，通過增大在干涉儀測微器上2次讀數間涌出或陷入干涉環的數目，可以減小估讀位對測量數據的影響，提高測量精度，減小測量誤差.但實驗存在著以下缺點：

1）實驗在黑暗的環境中進行，要求操作者一邊調節螺旋測微計，一邊長時間近距離注視著觀測屏，統計涌出（或陷入）干涉環的數目［2-5］.長時間近距離注視易造成人眼睛的傷害.

2）獲取大量多組統計干涉環數據，費時費力，且長時間注視觀測，易造成人眼睛和頭腦疲勞而導致錯誤統計干涉環的數目，也加大實驗誤差［6-9］.據此，實驗需要一種充分保證訓練學生操作能力、方便觀察現象、省時省力的激光干涉儀.

為了解決這些問題，筆者查找了干擾源，找出了有效的解決辦法，并在原GMS1型邁克耳孫干涉儀基礎上，設計了數字式抗震激光干涉儀，該裝置由抗震動隔離調節裝置模塊、擴束鏡和傳感器一體化裝置模塊、激光干涉產生裝置模塊和干涉條紋計數器裝置模塊組成，具有測量精度高、抗干擾能力強、計數快捷準確、操作簡單、便于觀察和不傷眼睛等優點.

2 主要干擾源

使用邁克耳孫干涉儀測光波波長時，儀器受外界的影響大，測量精度低，實驗結果誤差大，其原因為：

1）測量時儀器的輕微震動都能對干涉條紋產生影響，干擾測量結果，降低測量精度.

2）激光干涉儀產生穩定干涉后，在其干涉光路空間的氣流變化（如呼吸氣流）及外界環境的雜散光均會對干涉產生干擾.

3）激光源變動或接收屏變動對電信號的幅值也會產生影響.

4）干涉條紋計數器是一種直流測量系統，具有直流光平和電平零漂的弊端.

因此，設計能抑制微震動、抗雜散光干擾、自動計數的激光干涉儀，即可較好地解決上述問題.

3 新型激光干涉儀各功能模塊的設計

3.1 抗震動隔離調節裝置模塊

機械振動產生的干擾的形成：若要產生干涉環，需直接用手轉動干涉儀的測微器棘輪，改變光程差.但用手直接轉動測微器的棘輪時，都會帶來輕微擠壓或震動，在垂直于轉軸方向產生極其微小的機械振動或變形，導致干涉環的涌出或內陷，使計數器產生計數的錯誤，增大了誤差，降低了測量精度.

對機械振動產生的干擾采取的措施是：采用抗震動隔離調節裝置，通過旋轉其上的旋鈕，用磁力間接帶動螺旋測微器轉動.圖1是抗震動隔離調節裝置示意圖.圖2是磁旋子在垂直于轉軸方向的位移和磁場在此方向產生的分力關系，由圖2可知，通過此裝置的旋鈕轉動時，由接觸擠壓等產生的微小機械振動或變形，在被動磁旋子上產生的作用力幾乎降為零，不會對干涉環產生影響.

圖1 抗震動隔離調節裝置示意圖

圖2 磁旋子在垂直于轉軸方向位移和磁場在此方向產生的分力關系圖

3.2 擴束鏡和傳感器一體化裝置模塊

光干擾主要為周圍環境雜散光干擾、實驗過程中開關光源或室內照明燈、光源的波動及激光在分光板表面多次反射對干涉環圖樣產生的干擾.其中周圍環境雜散光干擾、實驗過程中開關光源或室內照明燈產生的干擾，對干涉條紋計數器裝置產生的干擾較為嚴重，會使計數裝置產生錯誤計數.有效的解決辦法是：設置條紋傳感器和背景光傳感器，2路傳感器產生的信號經電路處理后，得到只含干涉環信息的電信號，保證計數正確［7］.信號采集采用擴束器與傳感器一體化結構，如圖3所示.對2束主干涉光和環境雜散光進行信號采集并轉換為電信號.在擴束器上安裝2個光電轉換器T0和T1.調節干涉儀，使T1處在圓形干涉圖樣的干涉環中.

圖3 擴束器與傳感器一體化結構

2束主光和周圍環境雜散光共同作用下，經T1轉換的電信號為i1；周圍環境雜散光經T0轉換為電信號i0，經減法電路處理后，得到純凈的干涉光對應的電信號.信號采集采用創新的擴束器與傳感器一體化結構，此結構既保證了信號的采集，又不影響實驗者對實驗現象的觀察.

3.3 干涉條紋計數器裝置模塊

干涉條紋計數裝置的電路部分組成框圖及實物見圖4和圖5所示.

圖4 條紋計數裝置的電路組成

圖5 干涉條紋計數器裝置

4 整體結構設計

數字抗震激光干涉儀如圖6所示.將氦氖激光器改換成波長為650nm半導體激光器；用加拿大樹脂膠將分光板和補償板合二為一.將各分散裝置都設計在一個箱體上，使新型激光干涉儀在確保學生充分參與實驗操作、方便觀察實驗現象基礎上，成為具有結構簡單、抗干擾性強、計數準確、省時省力的理想干涉儀.

圖6 數字抗震激光干涉儀

5 結束語

以邁克耳孫干涉儀為基礎，采用各功能模塊的協同設計，構建了激光干涉儀.該裝置由抗震動隔離調節裝置模塊、擴束鏡和傳感器一體化裝置模塊、激光干涉產生裝置模塊和干涉條紋計數器裝置模塊組成.僅從干涉條紋計數裝置這一方面考慮，測量誤差由原來的1%降低到0.05%，而計數條紋的效率提高了40～50倍，該義器具有測量精度高，抗干擾能力強，計數快捷準確、操作簡單、便于觀察和不傷眼睛等優點.

［1］楊述武，王定興.普通物理實驗（光學部分）［M］.北京：高等教育出版社，2000：161-162.

［2］姚啟均.光學教程［M］.3版.北京：高等教育出版社，2004：35.

［3］王守權，張紹良，張薇.干涉條紋計數器的研制［J］.長春郵電學院學報，2000，18（2）：55-58.

［4］徐富新，申冬玲，楊春艷，等.條紋計數器的光電轉換模塊設計［J］.實驗室研究與探索，2007，26（6）：64-67.

［5］石友彬，王文華，陳春雷，等.根據干涉條紋測量未知光源的波長［J］.物理實驗，2007，27（11）：35-37.

［6］柯紅衛，張寶穎，楊嘉，等.邁克耳孫干涉儀產生特殊干涉條紋的原因［J］.物理實驗，2007，27（1）：34-35.

［7］陳若輝，王海燕.激光干涉環干擾的排除方法及干涉環計數裝置的設計［J］.物理實驗，2009，29（12）：34-37.

［8］邱紅，李成仁.電子計數器在邁克耳孫干涉儀測波長實驗中的應用［J］.遼寧師范大學學報，1999，22（4）：300-302.

［9］史立生，賈彥枝，左俊玲.邁克耳孫干涉儀干涉條紋計數器［J］.河北師范大學學報（自然科學版），1996，20（3）：48-51，102.