数字抗震激光干涉仪的研究与设计

陈若辉，胡 悦，王建云，王海燕

（1.北华大学 物理学院，吉林 吉林132013；2.吉林化工学院 理学院，吉林 吉林132022）

1 引 言

迈克耳孙干涉仪测量激光波长实验是经典的大学物理实验，也是训练学生操作能力和观察能力的基础实验之一［1］.用传统迈克耳孙干涉仪测量激光波长时，通过增大在干涉仪测微器上2次读数间涌出或陷入干涉环的数目，可以减小估读位对测量数据的影响，提高测量精度，减小测量误差.但实验存在着以下缺点：

1）实验在黑暗的环境中进行，要求操作者一边调节螺旋测微计，一边长时间近距离注视着观测屏，统计涌出（或陷入）干涉环的数目［2-5］.长时间近距离注视易造成人眼睛的伤害.

2）获取大量多组统计干涉环数据，费时费力，且长时间注视观测，易造成人眼睛和头脑疲劳而导致错误统计干涉环的数目，也加大实验误差［6-9］.据此，实验需要一种充分保证训练学生操作能力、方便观察现象、省时省力的激光干涉仪.

为了解决这些问题，笔者查找了干扰源，找出了有效的解决办法，并在原GMS1型迈克耳孙干涉仪基础上，设计了数字式抗震激光干涉仪，该装置由抗震动隔离调节装置模块、扩束镜和传感器一体化装置模块、激光干涉产生装置模块和干涉条纹计数器装置模块组成，具有测量精度高、抗干扰能力强、计数快捷准确、操作简单、便于观察和不伤眼睛等优点.

2 主要干扰源

使用迈克耳孙干涉仪测光波波长时，仪器受外界的影响大，测量精度低，实验结果误差大，其原因为：

1）测量时仪器的轻微震动都能对干涉条纹产生影响，干扰测量结果，降低测量精度.

2）激光干涉仪产生稳定干涉后，在其干涉光路空间的气流变化（如呼吸气流）及外界环境的杂散光均会对干涉产生干扰.

3）激光源变动或接收屏变动对电信号的幅值也会产生影响.

4）干涉条纹计数器是一种直流测量系统，具有直流光平和电平零漂的弊端.

因此，设计能抑制微震动、抗杂散光干扰、自动计数的激光干涉仪，即可较好地解决上述问题.

3 新型激光干涉仪各功能模块的设计

3.1 抗震动隔离调节装置模块

机械振动产生的干扰的形成：若要产生干涉环，需直接用手转动干涉仪的测微器棘轮，改变光程差.但用手直接转动测微器的棘轮时，都会带来轻微挤压或震动，在垂直于转轴方向产生极其微小的机械振动或变形，导致干涉环的涌出或内陷，使计数器产生计数的错误，增大了误差，降低了测量精度.

对机械振动产生的干扰采取的措施是：采用抗震动隔离调节装置，通过旋转其上的旋钮，用磁力间接带动螺旋测微器转动.图1是抗震动隔离调节装置示意图.图2是磁旋子在垂直于转轴方向的位移和磁场在此方向产生的分力关系，由图2可知，通过此装置的旋钮转动时，由接触挤压等产生的微小机械振动或变形，在被动磁旋子上产生的作用力几乎降为零，不会对干涉环产生影响.

图1 抗震动隔离调节装置示意图

图2 磁旋子在垂直于转轴方向位移和磁场在此方向产生的分力关系图

3.2 扩束镜和传感器一体化装置模块

光干扰主要为周围环境杂散光干扰、实验过程中开关光源或室内照明灯、光源的波动及激光在分光板表面多次反射对干涉环图样产生的干扰.其中周围环境杂散光干扰、实验过程中开关光源或室内照明灯产生的干扰，对干涉条纹计数器装置产生的干扰较为严重，会使计数装置产生错误计数.有效的解决办法是：设置条纹传感器和背景光传感器，2路传感器产生的信号经电路处理后，得到只含干涉环信息的电信号，保证计数正确［7］.信号采集采用扩束器与传感器一体化结构，如图3所示.对2束主干涉光和环境杂散光进行信号采集并转换为电信号.在扩束器上安装2个光电转换器T0和T1.调节干涉仪，使T1处在圆形干涉图样的干涉环中.

图3 扩束器与传感器一体化结构

2束主光和周围环境杂散光共同作用下，经T1转换的电信号为i1；周围环境杂散光经T0转换为电信号i0，经减法电路处理后，得到纯净的干涉光对应的电信号.信号采集采用创新的扩束器与传感器一体化结构，此结构既保证了信号的采集，又不影响实验者对实验现象的观察.

3.3 干涉条纹计数器装置模块

干涉条纹计数装置的电路部分组成框图及实物见图4和图5所示.

图4 条纹计数装置的电路组成

图5 干涉条纹计数器装置

4 整体结构设计

数字抗震激光干涉仪如图6所示.将氦氖激光器改换成波长为650nm半导体激光器；用加拿大树脂胶将分光板和补偿板合二为一.将各分散装置都设计在一个箱体上，使新型激光干涉仪在确保学生充分参与实验操作、方便观察实验现象基础上，成为具有结构简单、抗干扰性强、计数准确、省时省力的理想干涉仪.

图6 数字抗震激光干涉仪

5 结束语

以迈克耳孙干涉仪为基础，采用各功能模块的协同设计，构建了激光干涉仪.该装置由抗震动隔离调节装置模块、扩束镜和传感器一体化装置模块、激光干涉产生装置模块和干涉条纹计数器装置模块组成.仅从干涉条纹计数装置这一方面考虑，测量误差由原来的1%降低到0.05%，而计数条纹的效率提高了40～50倍，该义器具有测量精度高，抗干扰能力强，计数快捷准确、操作简单、便于观察和不伤眼睛等优点.

［1］杨述武，王定兴.普通物理实验（光学部分）［M］.北京：高等教育出版社，2000：161-162.

［2］姚启均.光学教程［M］.3版.北京：高等教育出版社，2004：35.

［3］王守权，张绍良，张薇.干涉条纹计数器的研制［J］.长春邮电学院学报，2000，18（2）：55-58.

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［5］石友彬，王文华，陈春雷，等.根据干涉条纹测量未知光源的波长［J］.物理实验，2007，27（11）：35-37.

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［7］陈若辉，王海燕.激光干涉环干扰的排除方法及干涉环计数装置的设计［J］.物理实验，2009，29（12）：34-37.

［8］邱红，李成仁.电子计数器在迈克耳孙干涉仪测波长实验中的应用［J］.辽宁师范大学学报，1999，22（4）：300-302.

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