法布里-珀羅干涉測微儀

陳修芳 趙 斌 張 多

（武漢輕工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430023）

自20 世紀(jì)60 年代初激光問世以來，激光已成為精密測量中的有利工具。 目前出現(xiàn)的各種各樣的激光位移測量儀，都是靠人的眼睛來讀數(shù)，這就不可避免地引起個人的視覺誤差或同一個人目測時(shí)的統(tǒng)計(jì)誤差，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量[1]。本文介紹一種具有數(shù)顯記錄和語音播報(bào)功能的法布里-珀羅干涉測微儀，該裝置精度高、穩(wěn)定性好、能夠準(zhǔn)確測出微小長度及微小位移。

1 法布里-珀羅干涉測微儀的基本組成和工作原理

本測微儀由He-Ne 激光光源、干涉鏡片、精密滑塊、測量探頭、自制蝸輪蝸桿傳動裝置（見圖1）和記錄裝置等組成（具體組裝圖見圖2）。

圖1 蝸輪蝸桿傳動裝置

圖2 法布里-珀羅干涉測微儀的組裝圖

法布里-珀羅干涉測微儀由平行放置的兩塊鍍有高反射率薄膜的平面玻璃鏡片組成， 當(dāng)光束通過兩塊以固定的間距放置的玻璃鏡片時(shí)，就會發(fā)生多光束干涉的現(xiàn)象[2]。當(dāng)鍍有高反膜兩鏡片之間距離的改變量為λ／2，就能觀察到一個環(huán)的吞吐。 因其干涉條紋非常細(xì)銳，我們從理論上推導(dǎo)出兩玻璃片間的距離d 與最內(nèi)層圓環(huán)半徑r 的關(guān)系[3]，制作了r 變化的細(xì)化標(biāo)尺（10 個圓環(huán)刻度），表示r 每變化一個刻度，Δd 就改變λ／20，通過記錄吞吐環(huán)的數(shù)目，并測量始末狀態(tài)時(shí)最內(nèi)層圓環(huán)半徑r 的大小，從而達(dá)到測量微小長度的目的，使測量精度可達(dá)λ／20。該裝置的實(shí)驗(yàn)原理是使一鏡片固定，位置始終保持不變；另一鏡片固定在裝有測量頭的精密滑塊上，通過滑塊移動而使兩鏡片之間距離改變，Δd 即是測量探頭的位移量。通過自制的計(jì)錄裝置記錄吞吐圓環(huán)的個數(shù)N，從而實(shí)現(xiàn)測量微小長度及微小長度的變化ΔL＝Nλ／2。 記錄裝置的工作原理如圖3 所示。 光敏管放置在干涉條紋的中心，將條紋光強(qiáng)變化及背景光信號的疊加信號轉(zhuǎn)換為電信號，用來驅(qū)動計(jì)算器數(shù)字顯示和語音播報(bào)。

圖3 記錄裝置原理圖

圖4 虛光源法研究F-P 干涉儀的非定域干涉

表1 d－r 關(guān)系表

通過計(jì)算器計(jì)錄縮進(jìn)或冒出的環(huán)數(shù)以及用游標(biāo)卡尺測量始末狀態(tài)時(shí)最內(nèi)層圓環(huán)半徑r 的大小， 對照表1 即可得到待測物體的厚度，該方法能將測量精度提高一個數(shù)量級。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析處理

先用螺旋測微器測得銅薄片的厚度約為84μm-85μm。法布里-珀羅干涉測微儀測銅薄片的具體操作如下：

1）先將待測銅片放在測量探頭（與一塊玻璃板一起固定在精密滑塊上）和基準(zhǔn)臺之間，探頭只受滑塊的重力作用壓在待測片上，記錄初態(tài)r 的大??；

2）調(diào)節(jié)蝸輪，使蝸桿緩慢上升，當(dāng)蝸桿頂?shù)骄芑瑝K，測量探頭與一玻璃板一起開始上升，d 開始變小，計(jì)數(shù)器開始自動計(jì)入縮進(jìn)環(huán)數(shù)，隨后測量探頭由蝸桿帶動上升到合適高度，得到總的縮進(jìn)環(huán)數(shù)，即得探頭上升的高度；

3）取出待測銅片，反向調(diào)節(jié)蝸輪，測量探頭受滑塊的重力作用隨蝸桿緩慢下降，d 將變大，計(jì)數(shù)器開始自動計(jì)入冒出環(huán)數(shù)，直到探頭觸及到基準(zhǔn)平臺， 繼續(xù)反向調(diào)節(jié)蝸輪， 蝸桿將與滑塊分離，d 將不會改變，計(jì)數(shù)器將停止記數(shù)。 記錄此時(shí)r 的大小，由此得到總的冒出環(huán)數(shù)，即得探頭下降的高度。

通過計(jì)算縮進(jìn)和冒出的環(huán)數(shù)之差及比較始末狀態(tài)時(shí)r 的大小，得到銅片的厚度。 具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 用法布里-珀羅干涉測微儀測銅片厚度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明一致性較好， 誤差主要來源于探頭與銅片接觸縫隙，精密滑塊的精度及銅片本身厚薄的均勻性。 該裝置運(yùn)用的純光學(xué)干涉的方法，避免了機(jī)械螺距及空程間隙帶來的誤差。 在測量不同的材料時(shí)可選用不同的測量探頭；而且在測量和讀數(shù)的始末狀態(tài)，測量探頭只受滑塊重力的作用，盡可能地減小了接觸性測量中由于受力不同造成松緊程度不同而帶來的誤差。 該裝置使用的精密滑塊技術(shù)參數(shù)： 縱向位移100mm 時(shí)， 橫向偏差僅為3μm， 該裝置的縱向位移在1mm 內(nèi)，橫向偏差較小。

3 結(jié)語

該測微儀利用渦輪傳動裝置實(shí)現(xiàn)了一種新的測量微小位移及微小長度的方法，在測量靈敏度及測量精度上有所突破，利用自制的計(jì)錄裝置實(shí)現(xiàn)了測量結(jié)果的語音播報(bào)及數(shù)字顯示功能；同時(shí)也為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可視化和直觀化提供了新的嘗試。該測微儀的制作涵蓋了力、熱、聲、光、電和近代物理各個模塊的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。該裝置結(jié)構(gòu)精巧、操作簡單，大部分都是利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的和廢舊的儀器加工制作而來，性價(jià)比高，用途廣泛，測量精準(zhǔn)，是一個比較實(shí)用，便于推廣的實(shí)驗(yàn)測量裝置，具有較高的實(shí)用推廣價(jià)值及市場前景。

［1］韓平,岳連德,吳蓮秀.高精密數(shù)顯測微儀[J].洛陽工學(xué)院學(xué)報(bào),1996,17(3):31-35.

［2］程曉輝,趙洋,李達(dá)成.F-P 干涉儀在長度測量領(lǐng)域的應(yīng)用[J].激光技術(shù),1999,23(3):134-137.

［3］祁勝文,劉貴忠.用激光作光源的非定域干涉研究[J].德州學(xué)院學(xué)報(bào),2003,19(2):16-19.