法布里-珀罗干涉测微仪

陈修芳 赵 斌 张 多

（武汉轻工大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉430023）

自20 世纪60 年代初激光问世以来，激光已成为精密测量中的有利工具。 目前出现的各种各样的激光位移测量仪，都是靠人的眼睛来读数，这就不可避免地引起个人的视觉误差或同一个人目测时的统计误差，从而影响产品的质量[1]。本文介绍一种具有数显记录和语音播报功能的法布里-珀罗干涉测微仪，该装置精度高、稳定性好、能够准确测出微小长度及微小位移。

1 法布里-珀罗干涉测微仪的基本组成和工作原理

本测微仪由He-Ne 激光光源、干涉镜片、精密滑块、测量探头、自制蜗轮蜗杆传动装置（见图1）和记录装置等组成（具体组装图见图2）。

图1 蜗轮蜗杆传动装置

图2 法布里-珀罗干涉测微仪的组装图

法布里-珀罗干涉测微仪由平行放置的两块镀有高反射率薄膜的平面玻璃镜片组成， 当光束通过两块以固定的间距放置的玻璃镜片时，就会发生多光束干涉的现象[2]。当镀有高反膜两镜片之间距离的改变量为λ／2，就能观察到一个环的吞吐。 因其干涉条纹非常细锐，我们从理论上推导出两玻璃片间的距离d 与最内层圆环半径r 的关系[3]，制作了r 变化的细化标尺（10 个圆环刻度），表示r 每变化一个刻度，Δd 就改变λ／20，通过记录吞吐环的数目，并测量始末状态时最内层圆环半径r 的大小，从而达到测量微小长度的目的，使测量精度可达λ／20。该装置的实验原理是使一镜片固定，位置始终保持不变；另一镜片固定在装有测量头的精密滑块上，通过滑块移动而使两镜片之间距离改变，Δd 即是测量探头的位移量。通过自制的计录装置记录吞吐圆环的个数N，从而实现测量微小长度及微小长度的变化ΔL＝Nλ／2。 记录装置的工作原理如图3 所示。 光敏管放置在干涉条纹的中心，将条纹光强变化及背景光信号的叠加信号转换为电信号，用来驱动计算器数字显示和语音播报。

图3 记录装置原理图

图4 虚光源法研究F-P 干涉仪的非定域干涉

表1 d－r 关系表

通过计算器计录缩进或冒出的环数以及用游标卡尺测量始末状态时最内层圆环半径r 的大小， 对照表1 即可得到待测物体的厚度，该方法能将测量精度提高一个数量级。

2 实验数据及分析处理

先用螺旋测微器测得铜薄片的厚度约为84μm-85μm。法布里-珀罗干涉测微仪测铜薄片的具体操作如下：

1）先将待测铜片放在测量探头（与一块玻璃板一起固定在精密滑块上）和基准台之间，探头只受滑块的重力作用压在待测片上，记录初态r 的大小；

2）调节蜗轮，使蜗杆缓慢上升，当蜗杆顶到精密滑块，测量探头与一玻璃板一起开始上升，d 开始变小，计数器开始自动计入缩进环数，随后测量探头由蜗杆带动上升到合适高度，得到总的缩进环数，即得探头上升的高度；

3）取出待测铜片，反向调节蜗轮，测量探头受滑块的重力作用随蜗杆缓慢下降，d 将变大，计数器开始自动计入冒出环数，直到探头触及到基准平台， 继续反向调节蜗轮， 蜗杆将与滑块分离，d 将不会改变，计数器将停止记数。 记录此时r 的大小，由此得到总的冒出环数，即得探头下降的高度。

通过计算缩进和冒出的环数之差及比较始末状态时r 的大小，得到铜片的厚度。 具体的实验数据见表2。

表2 用法布里-珀罗干涉测微仪测铜片厚度的实验数据

实验数据表明一致性较好， 误差主要来源于探头与铜片接触缝隙，精密滑块的精度及铜片本身厚薄的均匀性。 该装置运用的纯光学干涉的方法，避免了机械螺距及空程间隙带来的误差。 在测量不同的材料时可选用不同的测量探头；而且在测量和读数的始末状态，测量探头只受滑块重力的作用，尽可能地减小了接触性测量中由于受力不同造成松紧程度不同而带来的误差。 该装置使用的精密滑块技术参数： 纵向位移100mm 时， 横向偏差仅为3μm， 该装置的纵向位移在1mm 内，横向偏差较小。

3 结语

该测微仪利用涡轮传动装置实现了一种新的测量微小位移及微小长度的方法，在测量灵敏度及测量精度上有所突破，利用自制的计录装置实现了测量结果的语音播报及数字显示功能；同时也为大学物理实验内容及实验结果的可视化和直观化提供了新的尝试。该测微仪的制作涵盖了力、热、声、光、电和近代物理各个模块的实验内容。该装置结构精巧、操作简单，大部分都是利用实验室现有的和废旧的仪器加工制作而来，性价比高，用途广泛，测量精准，是一个比较实用，便于推广的实验测量装置，具有较高的实用推广价值及市场前景。

［1］韩平,岳连德,吴莲秀.高精密数显测微仪[J].洛阳工学院学报,1996,17(3):31-35.

［2］程晓辉,赵洋,李达成.F-P 干涉仪在长度测量领域的应用[J].激光技术,1999,23(3):134-137.

［3］祁胜文,刘贵忠.用激光作光源的非定域干涉研究[J].德州学院学报,2003,19(2):16-19.