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

(華中農業大學物理系，湖北 武漢 430070)

1 導出問題

光源波長的測量是高等學校理工科專業學生大學物理實驗教學中的一個基本內容，目前單色光源波長測量方法很多是利用光的干涉性進行測量，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激光波長、牛頓環測量激光波長以及光學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備體積大、重量大，調節時間長和測量效率低。本文設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、結果準確、成本低廉、結構輕便等優點。

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光強衰減幅度對波長的區分度較好，具備較寬的單調上升或下降區間。在單調區間內，可以根據衰減幅度確定出光波的對應波長。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，在整個通帶內根據透射率可分為單調上升區、過峰區和單調下降區。除頂點外，對于一塊濾波片同一個透射率往往對應有兩個或多個波長值，這樣就無法根據單個濾波片的透射率準確確定波長。

圖1 波長—透射率關系曲線(帶通濾波片)

為此可以選擇特性峰值不同的兩塊濾波片，根據兩塊濾波片波長—透射率特性曲線，將波長分為不同區域，使得在一定波長區域內，某一濾波片的透射率隨波長單調變化，則將這一濾波片作為此波長區域的有效測量波片。通過合理選擇濾波片組合，最終實現大范圍的單色光波波長的分區域互補測量。

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域的分析，將波長分成了A、B、C和D 4個區域。如圖可見，在每個區域內，都有一塊濾波片的波長—透射率具有很好的單調性。因此選擇單調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區選擇545nm波片作為有效測量波片；B區選擇600nm波片作為有效測量波片(用黑色圓點標出對應的有效測量曲線)。利用Origin對有效測量曲線進行函數擬合，給出波長(透射率)函數關系，如下：

圖2 波長—透射率關系曲線(兩塊濾波片)

A區測量曲線的擬合函數：

B區測量曲線的擬合函數：

C區測量曲線的擬合函數：

D區測量曲線的擬合函數：

其中，λ為波長；Q為透射率。分區后的有效測量曲線具有很高的單調性，采用5階次的多項式擬合時，相關系數可達到0.9996以上，保證了此測量方法的準確性。

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

3 實驗裝置的設計與制作

3.1 裝置設計

根據上述實驗基本原理，實驗裝置的設計流程如圖3所示。選擇半導體激光器激光作為光源，將激光通過濾波片轉盤。濾波片轉盤是切換濾波片、完成自動測量的重要部件。轉盤上有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，實現激光實際功率的測量，其他窗孔放置不同的濾波片，實現激光透過濾波片衰減以后的功率測量。

圖3 實驗裝置設計流程

窗孔環繞轉盤中心等距均勻分布，轉盤在電機帶動下轉動。待測激光垂直穿過窗孔、射向固定在轉盤后方位置上的光電傳感器。隨著轉盤的轉動，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的光脈沖，驅動轉盤的電機可以采用步進電機，在微處理器控制下切換窗孔，也可以采用直流減速電機直接驅動轉盤，用光電門或霍爾器件從轉盤上提取轉動同步信號。

光電傳感器將光脈沖信號轉變為電流信號送入檢測電路，檢測電路的功能是對光電傳感器送來的電流脈沖信號進行放大、峰值捕獲和功率測量，同時也接收轉盤同步信號或輸出步進驅動信號來配合測量。經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。

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

圖4 選擇分區過程示意圖

3.2 裝置制作

圖5為裝置主體結構圖以及實物圖。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。入射的待測激光經導向管2射入，濾波片轉盤5以恒定角速度旋轉，連續的激光通過濾波片轉盤檢測窗孔，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一周使底板上的光電門產生一個脈沖同步信號，此同步信號通過數據線輸入信號處理電路板。圓盤轉速約為600r/min，每秒可以完成10次測量。微處理器根據曲線分區特征，選擇擬合表達式求出波長。

圖5 裝置主體結構及實物圖1—絕緣底板； 2—導向管； 3—金屬支架立柱； 4—絕緣頂板； 5—濾波片轉盤； 6—液晶顯示屏； 7—電路板

4 實驗結果及總結

為了檢測此光波波長測量裝置的測量準確度，用3種半導體激光器進行了檢測。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點：

表 測量結果

(1) 本測量裝置操作簡單方便，自動化程度高。電機帶動轉盤或轉輪轉動，實現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。

(2) 本測量裝置采集數據速度快，測量誤差小。測量裝置中的轉盤轉速可以達600r/min以上，信號處理單元采用高速微處理器，測量速度可達10次/s以上。由光譜儀自動掃描獲取濾波片數據，信息量大，數據準確。透射率—波長擬合表達式相關系數高，計算波長精準。

(3) 光波長測量結果通過液晶顯示屏直觀顯示。

(4) 結構緊湊抗干擾易便攜化，可制作成小型光波測量便攜設備。另外本文中選擇的兩塊濾波片可以實現波長范圍為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。