迈克耳孙干涉仪自动测量系统设计

石明吉，王 飞，王珍桢

(南阳理工学院 电子与电气工程学院，河南 南阳 473004)

1883年，美国物理学家迈克耳孙与莫雷合作为测量“以太”漂移速度而发明了迈克耳孙干涉仪. 该仪器利用分振幅法产生双光束以实现干涉，在现代物理和计量之中有着广泛的应用[1]. 利用迈克耳孙干涉仪测量激光波长是大学物理实验的重要内容[2]. 实验中，为了计算动镜的位移，需要在机体侧面的毫米刻度尺、读数窗口内的刻度盘和微调手轮处读数；为了获得“吞吐”条纹的数目，需要学生长时间盯着观测屏进行人工计数[3]. 由于干涉图案的亮度低，为看清条纹的吞吐情况，实验需要在黑暗环境下进行以降低背景光的影响；但是，为了获取动镜的位移数据，读数时又需要照明，学生常用手机照明. 这2个需求相互矛盾，不仅导致实验过程繁琐，而且不同实验台之间会相互影响. 此外，人工计数需要长时间用眼很容易导致视觉疲劳，从而导致计数错误[4-6].

针对上述情况，人们做了大量的努力和尝试[7-11]. 基于芯片设计的计数器精度高、效率高、操作简便、成本低，但是灵活性差，硬件调试麻烦，不易更改，出现问题后不易解决. 基于虚拟仪器与计算机采集处理相结合的计数器，数据处理灵活，但精度一般，且需要配置计算机，成本高[12]. 针对上述情况，本文着重探讨用单片机来设计一款简单方便、精确度高、实用性强的新型迈克耳孙干涉仪自动测量系统，同时实现条纹的自动计数和动镜位移的自动测量.

1 整体设计

整体实验装置结构如图1所示，用弹簧联轴器和变径将直流减速电机的转轴和100线码盘连接在迈克耳孙干涉仪(WSM-100型)的微调手轮的轴上，利用直流减速电机带动微调手轮和码盘转动，利用红外对射计数传感器模块将微调手轮转动的角位移转换为位移计数脉冲发给单片机1，单片机1对位移计数脉冲进行计数并通过数码管1进行显示；利用光敏电阻模块将探测点光强的周期性变化转化为条纹计数脉冲发给单片机2，单片机2对条纹计数脉冲进行计数并通过数码管2进行显示. 实验前要根据周围环境的亮度调整光敏电阻模块的电压阈值，保证信号转换的有效性. 实验中，直流减速电机由直流电源直接供电，通过换向开关可以改变电机的转动方向.

图1 实验装置结构图

2 软件设计

红外对射计数传感器模块的输出特性是有遮挡时输出高电平，无遮挡时输出低电平. 因此，码盘每转过1线输出1组高低电平；码盘转1圈的过程中，红外对管被遮挡100次，输出100个脉冲，单片机1接收端每遇到1个高电平时计数加1，遇到低电平不计数. 光敏电阻模块的输出特性是当待测光强低于设定值时输出高电平，当待测光强高于设定值时输出低电平. 因此，每有1个暗条纹经过光敏电阻，光敏电阻模块输出1个高电平，单片机2接收端每遇到1个高电平时计数加1，遇到低电平不计数. 单片机1和单片机2的计数程序流程如图2所示.

图2 计数程序流程图

3 实验内容与数据分析

3.1 仪器组装与调节

采用He-Ne激光器作为待测光源，激光波长为632.8 nm. 适当调节迈克耳孙干涉仪及光路，在光敏电阻模块处形成明暗相间的同心圆干涉条纹，条纹宽度要大于光敏电阻受光面的宽度. 按照图1组装实验装置，利用弹簧联轴器和变径将微调手轮的轴、码盘和直流减速电机的轴连接到一起；将红外对射计数传感器模块固定在合适的位置，保证码盘转动时可以产生位移计数脉冲；将光敏电阻模块放置到合适的位置，根据环境光强调节阈值电压，保证条纹吞吐时可以产生条纹计数脉冲；启动直流减速电机带动微调手轮转动，消除机械系统空程. 按下复位键使数码管1和数码管2的显示置零；当直流减速电机正常转动且干涉条纹匀速吞吐时，按下复位键使数码管1和数码管2开始计数；当换向开关打到断开位置时，2个单片机同时停止计数，数码管1和数码管2分别显示位移计数和条纹计数的结果. 实验中要避免环境光强的变化和震动的干扰.

3.2 实验数据分析

干涉圆环“涌出”不同环数时的测量数据如表1所示. 由于迈克耳孙干涉仪的微调手轮每转1周动镜移动的距离是0.01 mm，码盘的分辨率是每圈100脉冲，每个位移脉冲对应的动镜移动距离为Δl=0.000 1 mm，如果码盘产生M个位移计数脉冲，动镜移动的距离为

Δd=MΔl.

(1)

根据迈克耳孙干涉仪的原理，波长与动镜位移的关系为[13]

(2)

由式(1)和式(2)可以得到

(3)

表1 不同测量环数的测量值

由于条纹计数脉冲的周期比位移计数脉冲的周期要长好多，因此，同一个条纹数会有不同的位移脉冲数与之对应，因此，N与M不是简单的正比关系，而是线性关系，所以，不能单独利用某组(N，M)计算出波长的准确值. 式(3)可以写成

Nλ=2ΔlM,

(4)

由于波长λ和Δl是常量，式(4)两边同时微分，得

dNλ=2ΔldM,

(5)

整理得

(6)

图3 位移计数随条纹计数的变化

学生Δd/mmλ/nmEr10.015 39644.61.9%20.014 20655.63.6%30.016 36654.53.4%40.016 42653.73.3%50.016 40656.43.7%60.015 23651.83.0%70.014 20655.63.6%80.015 39644.61.9%90.012 36647.52.3%100.016 36654.53.4%

4 结束语

开发了基于单片机的迈克耳孙干涉仪自动测量系统，采用光敏电阻模块检测探测点光强的变化以获取吞吐条纹数目的信息，采用直流减速电机来带动迈克耳孙干涉仪微调手轮的转动，并采用码盘和红外对射计数传感器模块来检测动镜的位移，利用单片机计数，很好地实现了迈克耳孙干涉仪的自动化测量. 该系统结构简单、操作方便、性能稳定，应用到迈克耳孙干涉实验中可以有效地减小计数误差，有助于保护学生的视力，较好地满足了实验要求.