迈克尔逊干涉仪条纹采集和波长测量装置设计*

杨运升，杜 凯，吴家根，袁华超，李兴鳌

（南京邮电大学，江苏 南京210003）

迈克尔逊干涉仪测激光波长实验在大学物理实验中占有重要地位。然而，在此实验中实验者要目不转睛地紧盯着观测屏，记录干涉条纹变化次数，这样易造成视觉疲劳。为了减少测量误差，分多组测量条纹数等数据，就会使操作繁琐耗时，对眼睛造成一定程度的损伤[1]。因此，为了方便实验，提高波长测量的精度，在原迈克尔逊干涉仪的基础上设计了一套结构简单的装置，该装置不仅减少了实验者的手工化劳动强度，节省实验时间，减少了眼睛观察明暗条纹的疲劳感和激光对眼睛的伤害，同时不影响学生对实验干涉原理的理解，使实验的计数和波长的测量自动化，更加准确。

1 装置设计

本实验创新地实现了基于单片机的迈克尔逊干涉仪的干涉条纹自动计数和波长的自动测量。该装置由迈氏干涉仪、光敏传感单元、旋转编码器、单片机和LCD等组成，其工作流程如图1所示。先利用光敏传感单元采集变化的干涉条纹，产生与之对应的电脉冲信号，同时旋转编码器可测出微调转轮转过的角位移，由单片机采集处理，设计程序计算出动镜移动的距离，得出波长，最后通过LCD显示。

图1 装置工作流程示意图

1.1 干涉条纹的采集

光敏传感模块由光敏电阻和阈值比较电路组成。将光敏电阻安置于观察屏的干涉圆环中心[2]，探测圆心处光强的变化。然后接入阈值比较电路[3]，如图2所示，干涉圆环中心的每一次明暗变化将被转换为一个电脉冲。通过计数电脉冲，则得到变化的干涉环数N。

同时，R1、R2（单位：kΩ）为滑动变阻器，可以根据周围不同的背景光强，在滑动变阻器允许的范围内调节使其达到要求即可。

1.2 动镜移动距离

图2 阈值比较电路图

角位移编码器是根据光电计数的原理，将转轴的旋转角位移转化为电脉冲个数的传感器件。将其通过联轴器固定在迈克尔逊干涉仪的微调转轮上。当实验者转动微调转轮时，角位移编码器随之转动，产生脉冲信号，并传入单片机进行处理，得出动镜移动的距离。具体转化处理过程如下。

通常选用较大分辨率 （脉冲每转PPR（Pulse Per Revolution））的编码器以提高精确度，如500 PPR。迈克尔逊干涉仪微调转轮每转一周动镜移动0.01 mm，则角位移编码器每个脉冲对应的动镜移动距离为（单位为mm）：

选用一定分辨率的旋转编码器可使其分度值达到纳米级。

若旋转编码器产生M个脉冲，对应的动镜移动距离为（单位为mm）：

1.3 波长的自动测量

根据迈克尔逊干涉仪的原理[4]，实验中激光波长计算公式为：

综合式（1）、（2）、（3），可得利用此装置的激光波长计算公式：

其中，N为干涉条纹变化周期数，M为旋转编码器产生脉冲，n为所选旋转编码器分辨率（PPR）。

所测波长与理论波长值的百分误差为：

其中，λ理=632.8 nm

1.4 LCD数据显示

液晶显示器（LCD）是通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制。

由单片机处理的数据送入LCD显示，LCD接收到数据即可按照编码规则显示出干涉环数目、动镜移动距离Δd和试验所测得的波长λ。

液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，和单片机系统的接口简单可靠，操作方便。

1.5 软件设计

该装置要求设计完善的软件程序，完成包含自检、计数、显示、键盘响应、数据处理和中断处理等在内的功能，整个软件流程如图3所示。

图3 软件流程图

软件设计中，首先检测小键盘上清零键是否被按下，控制单片机将各数据清零，重新进行实验，实现分组多次测量。

比较器输出端产生的高低变化的脉冲被送到单片机P1.4端口，干涉环数增1。同时，单片机P3.2端口引入外部中断INT0，检测来自旋转编码器的脉冲信号，低电平或下降沿有效，产生的脉冲自增1。数据处理过后，计算出波长，发送到LCD显示。

软件中使用了延时技术，确保传入单片机的信号是有用信号，然后才自增1，有效地滤除电路噪声产生的干扰脉冲，提高计数的准确性。

2 实验效果与分析

表1所示的数据便是利用本装置在原迈克逊干涉仪的基础上测出来的，分度值为纳米级，可见确实提高了实验的精确性[5]。为了便于比较，实验同时计算出了其百分误差。

表1 装置测量数据

一般而言，此实验人工计数并测量出的波长误差较大，而利用本装置所测得的数据百分误差只有0.5%～1.7%，精确度较高。而且，随着测量环数的增加，误差逐渐减小。

本装置简易便捷，其中光敏传感模块的设计亦可用于其他有关光电转化的领域，用途广泛。而且运用该装置提高了实验精度，弥补了迈克尔逊干涉仪的弊端，可以广泛应用于改进现有的迈克尔逊干涉仪装置，提高了教学质量。

[1]高友，姜玉生.用开关型光传感器改进迈克尔逊测量激光波长实验[J].辽东学院学报，2009，16（2）：118-120.

[2]陈用，迈克尔逊干涉仪测光波波长读数方法的改进[J].湛江师范学院学报，2003，24（3）：100-102.

[3]李晖，徐恩生，刘庭欣.迈克耳孙干涉仪读数器的设计[J].沈阳航空工业学院学报，2004，21（2）：71-72.

[4]李三龙，葛智勇，李永涛，等.大学物理实验[M].北京：高等教育出版社，2011.

[5]王利强，左爱斌，彭月祥.光波长测量仪器的分类原理及研究进展[J].科技导报，2005，23（6）：31-33.