數(shù)字抗震激光干涉儀的研究與設(shè)計(jì)

陳若輝，胡 悅，王建云，王海燕

（1.北華大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 吉林132013；2.吉林化工學(xué)院 理學(xué)院，吉林 吉林132022）

1 引 言

邁克耳孫干涉儀測(cè)量激光波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)是經(jīng)典的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，也是訓(xùn)練學(xué)生操作能力和觀察能力的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之一［1］.用傳統(tǒng)邁克耳孫干涉儀測(cè)量激光波長(zhǎng)時(shí)，通過增大在干涉儀測(cè)微器上2次讀數(shù)間涌出或陷入干涉環(huán)的數(shù)目，可以減小估讀位對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響，提高測(cè)量精度，減小測(cè)量誤差.但實(shí)驗(yàn)存在著以下缺點(diǎn)：

1）實(shí)驗(yàn)在黑暗的環(huán)境中進(jìn)行，要求操作者一邊調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微計(jì)，一邊長(zhǎng)時(shí)間近距離注視著觀測(cè)屏，統(tǒng)計(jì)涌出（或陷入）干涉環(huán)的數(shù)目［2-5］.長(zhǎng)時(shí)間近距離注視易造成人眼睛的傷害.

2）獲取大量多組統(tǒng)計(jì)干涉環(huán)數(shù)據(jù)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且長(zhǎng)時(shí)間注視觀測(cè)，易造成人眼睛和頭腦疲勞而導(dǎo)致錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)干涉環(huán)的數(shù)目，也加大實(shí)驗(yàn)誤差［6-9］.據(jù)此，實(shí)驗(yàn)需要一種充分保證訓(xùn)練學(xué)生操作能力、方便觀察現(xiàn)象、省時(shí)省力的激光干涉儀.

為了解決這些問題，筆者查找了干擾源，找出了有效的解決辦法，并在原GMS1型邁克耳孫干涉儀基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了數(shù)字式抗震激光干涉儀，該裝置由抗震動(dòng)隔離調(diào)節(jié)裝置模塊、擴(kuò)束鏡和傳感器一體化裝置模塊、激光干涉產(chǎn)生裝置模塊和干涉條紋計(jì)數(shù)器裝置模塊組成，具有測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、計(jì)數(shù)快捷準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)單、便于觀察和不傷眼睛等優(yōu)點(diǎn).

2 主要干擾源

使用邁克耳孫干涉儀測(cè)光波波長(zhǎng)時(shí)，儀器受外界的影響大，測(cè)量精度低，實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差大，其原因?yàn)椋?/p>

1）測(cè)量時(shí)儀器的輕微震動(dòng)都能對(duì)干涉條紋產(chǎn)生影響，干擾測(cè)量結(jié)果，降低測(cè)量精度.

2）激光干涉儀產(chǎn)生穩(wěn)定干涉后，在其干涉光路空間的氣流變化（如呼吸氣流）及外界環(huán)境的雜散光均會(huì)對(duì)干涉產(chǎn)生干擾.

3）激光源變動(dòng)或接收屏變動(dòng)對(duì)電信號(hào)的幅值也會(huì)產(chǎn)生影響.

4）干涉條紋計(jì)數(shù)器是一種直流測(cè)量系統(tǒng)，具有直流光平和電平零漂的弊端.

因此，設(shè)計(jì)能抑制微震動(dòng)、抗雜散光干擾、自動(dòng)計(jì)數(shù)的激光干涉儀，即可較好地解決上述問題.

3 新型激光干涉儀各功能模塊的設(shè)計(jì)

3.1 抗震動(dòng)隔離調(diào)節(jié)裝置模塊

機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的干擾的形成：若要產(chǎn)生干涉環(huán)，需直接用手轉(zhuǎn)動(dòng)干涉儀的測(cè)微器棘輪，改變光程差.但用手直接轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微器的棘輪時(shí)，都會(huì)帶來輕微擠壓或震動(dòng)，在垂直于轉(zhuǎn)軸方向產(chǎn)生極其微小的機(jī)械振動(dòng)或變形，導(dǎo)致干涉環(huán)的涌出或內(nèi)陷，使計(jì)數(shù)器產(chǎn)生計(jì)數(shù)的錯(cuò)誤，增大了誤差，降低了測(cè)量精度.

對(duì)機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的干擾采取的措施是：采用抗震動(dòng)隔離調(diào)節(jié)裝置，通過旋轉(zhuǎn)其上的旋鈕，用磁力間接帶動(dòng)螺旋測(cè)微器轉(zhuǎn)動(dòng).圖1是抗震動(dòng)隔離調(diào)節(jié)裝置示意圖.圖2是磁旋子在垂直于轉(zhuǎn)軸方向的位移和磁場(chǎng)在此方向產(chǎn)生的分力關(guān)系，由圖2可知，通過此裝置的旋鈕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由接觸擠壓等產(chǎn)生的微小機(jī)械振動(dòng)或變形，在被動(dòng)磁旋子上產(chǎn)生的作用力幾乎降為零，不會(huì)對(duì)干涉環(huán)產(chǎn)生影響.

圖1 抗震動(dòng)隔離調(diào)節(jié)裝置示意圖

圖2 磁旋子在垂直于轉(zhuǎn)軸方向位移和磁場(chǎng)在此方向產(chǎn)生的分力關(guān)系圖

3.2 擴(kuò)束鏡和傳感器一體化裝置模塊

光干擾主要為周圍環(huán)境雜散光干擾、實(shí)驗(yàn)過程中開關(guān)光源或室內(nèi)照明燈、光源的波動(dòng)及激光在分光板表面多次反射對(duì)干涉環(huán)圖樣產(chǎn)生的干擾.其中周圍環(huán)境雜散光干擾、實(shí)驗(yàn)過程中開關(guān)光源或室內(nèi)照明燈產(chǎn)生的干擾，對(duì)干涉條紋計(jì)數(shù)器裝置產(chǎn)生的干擾較為嚴(yán)重，會(huì)使計(jì)數(shù)裝置產(chǎn)生錯(cuò)誤計(jì)數(shù).有效的解決辦法是：設(shè)置條紋傳感器和背景光傳感器，2路傳感器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)電路處理后，得到只含干涉環(huán)信息的電信號(hào)，保證計(jì)數(shù)正確［7］.信號(hào)采集采用擴(kuò)束器與傳感器一體化結(jié)構(gòu)，如圖3所示.對(duì)2束主干涉光和環(huán)境雜散光進(jìn)行信號(hào)采集并轉(zhuǎn)換為電信號(hào).在擴(kuò)束器上安裝2個(gè)光電轉(zhuǎn)換器T0和T1.調(diào)節(jié)干涉儀，使T1處在圓形干涉圖樣的干涉環(huán)中.

圖3 擴(kuò)束器與傳感器一體化結(jié)構(gòu)

2束主光和周圍環(huán)境雜散光共同作用下，經(jīng)T1轉(zhuǎn)換的電信號(hào)為i1；周圍環(huán)境雜散光經(jīng)T0轉(zhuǎn)換為電信號(hào)i0，經(jīng)減法電路處理后，得到純凈的干涉光對(duì)應(yīng)的電信號(hào).信號(hào)采集采用創(chuàng)新的擴(kuò)束器與傳感器一體化結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)既保證了信號(hào)的采集，又不影響實(shí)驗(yàn)者對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察.

3.3 干涉條紋計(jì)數(shù)器裝置模塊

干涉條紋計(jì)數(shù)裝置的電路部分組成框圖及實(shí)物見圖4和圖5所示.

圖4 條紋計(jì)數(shù)裝置的電路組成

圖5 干涉條紋計(jì)數(shù)器裝置

4 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)字抗震激光干涉儀如圖6所示.將氦氖激光器改換成波長(zhǎng)為650nm半導(dǎo)體激光器；用加拿大樹脂膠將分光板和補(bǔ)償板合二為一.將各分散裝置都設(shè)計(jì)在一個(gè)箱體上，使新型激光干涉儀在確保學(xué)生充分參與實(shí)驗(yàn)操作、方便觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象基礎(chǔ)上，成為具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)、計(jì)數(shù)準(zhǔn)確、省時(shí)省力的理想干涉儀.

圖6 數(shù)字抗震激光干涉儀

5 結(jié)束語

以邁克耳孫干涉儀為基礎(chǔ)，采用各功能模塊的協(xié)同設(shè)計(jì)，構(gòu)建了激光干涉儀.該裝置由抗震動(dòng)隔離調(diào)節(jié)裝置模塊、擴(kuò)束鏡和傳感器一體化裝置模塊、激光干涉產(chǎn)生裝置模塊和干涉條紋計(jì)數(shù)器裝置模塊組成.僅從干涉條紋計(jì)數(shù)裝置這一方面考慮，測(cè)量誤差由原來的1%降低到0.05%，而計(jì)數(shù)條紋的效率提高了40～50倍，該義器具有測(cè)量精度高，抗干擾能力強(qiáng)，計(jì)數(shù)快捷準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)單、便于觀察和不傷眼睛等優(yōu)點(diǎn).

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