邁克爾遜干涉儀干涉環(huán)紋光電計數(shù)器的研制

茅天偉，婁家奇，尹燕寧，尹亞玲

(華東師范大學，上海 200241)

邁克爾遜干涉儀干涉環(huán)紋光電計數(shù)器的研制

茅天偉，婁家奇，尹燕寧，尹亞玲*

(華東師范大學，上海 200241)

利用干涉環(huán)紋明暗交替變化的原理，設計制作了可以用于邁克爾遜干涉儀的干涉環(huán)紋計數(shù)的光電計數(shù)器，利用此儀器可以精確高效地實現(xiàn)干涉環(huán)紋的計數(shù)，減少了由于人眼進行干涉環(huán)紋計數(shù)的誤差，提高了實驗穩(wěn)定度和精度。我們將制作的干涉環(huán)紋光電計數(shù)器用于基于邁克爾遜干涉儀的激光波長實驗，結(jié)果表明采用光電計數(shù)器之后，實驗精度比裸眼探測明顯提高，百分差縮小37.5倍，標準差縮小近3倍。

光電計數(shù)器；邁克爾遜干涉儀；激光波長

邁克爾遜干涉儀是1883年美國物理學家邁克爾遜與莫雷合作為了研究“以太”漂移設計制造出來的精密光學儀器，它是利用分振幅法產(chǎn)生雙光束以實現(xiàn)干涉，其在現(xiàn)代物理和計量之中有著廣泛的應用。例如：利用邁克爾遜干涉儀測定液體折射率[1]，金屬絲的彈性模量[2]，金屬線脹系數(shù)[3]，壓電陶瓷特性[4]，全息干板膜厚度[5]等，利用邁克爾遜干涉儀構(gòu)建激光雷達濾光器[6]等等。

基于邁克爾遜干涉儀的激光波長的測量是大學物理實驗中基礎且重要的光學實驗。但是，該實驗中要求學生數(shù)幾百條甚至上千條干涉環(huán)紋的變化。由于人眼疲勞原因造成的人為誤計數(shù)使實驗的準確度得不到保證[7]。同時實驗中為了減少測量誤差需要分多組測量條紋數(shù)數(shù)據(jù)，課堂大多數(shù)時間用在機械的讀數(shù)上[8-9]。為了減少實驗中人為引入的誤差同時增加實驗效率，我們設計制作了光電計數(shù)器來替代裸眼，通過計數(shù)器的累加來實現(xiàn)干涉環(huán)紋移動數(shù)的自動測量。

1 基于邁克爾遜干涉儀的激光波長測量原理

圖1(a) 邁克爾遜干涉儀光路簡圖

圖1(b) 干涉圓環(huán)圖

2 光電計數(shù)器設計思路

基于邁克爾遜干涉儀的干涉環(huán)紋隨著光程差的改變而明暗變化的現(xiàn)象，可以通過光電探測器將干涉環(huán)紋中心條紋的光強變化轉(zhuǎn)換成電信號，高電平對應明環(huán)紋，低電平對應暗環(huán)紋。轉(zhuǎn)換后得到的電信號通過濾波整形后可以被計數(shù)電路識別進而實現(xiàn)計數(shù)功能。最后通過譯碼器就可將實時的計數(shù)數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上。整個系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。

圖2 光電計數(shù)器設計原理框圖

3 光電計數(shù)器具體實施方案

3.1 光電計數(shù)器濾波整形電路

光電計數(shù)器濾波電路如圖3所示，濾波電路使用了簡單的RC低通濾波器，其截止頻率為 。我們選擇f=20Hz作為截止頻率，以便濾去家用照明系統(tǒng)的頻閃和干涉環(huán)紋的抖動等干擾。這樣我們就可以使光電計數(shù)探測器的光電探頭將干涉環(huán)紋中心的冒出或冒進轉(zhuǎn)換為電信號。由于濾波之后的信號幅度會有所改變，因此我們利用整形電路將濾波后的信號重新整形成為峰峰值為5V的脈沖，其中整形電路我們使用了施密特觸發(fā)器。

圖3 光電計數(shù)器濾波電路圖

3.2 光電計數(shù)器計數(shù)電路

為了克服傳統(tǒng)的十進制計數(shù)器74LS160不能異步置零的缺點，我們使用了74LS90的十分頻功能。由74LS90的參數(shù)可知，將6，10腳接地，1腳和2腳相連即可以完成十進制計數(shù)。并將2腳接一個100Ω小電阻接地，這樣一旦2腳接高電平即可完成置零。若要完成 十進制計數(shù)，可以利用串行接法。具體電路圖如圖4(a)所示，其中S1為置零按鍵。

3.3 光電計數(shù)器譯碼電路

光電計數(shù)器譯碼電路具體如圖4(b)所示，為了使用的便利性，我們直接將計數(shù)器的數(shù)據(jù)顯示在7段共陰極數(shù)碼管上，因此我們使用74LS48譯碼管將計數(shù)電路所輸出的十進制信號輸入74LS48譯碼，并將74LS48的與數(shù)碼管的對應連接，如此就可以在數(shù)碼管上讀取計數(shù)器的數(shù)據(jù)。

為了進一步減小裝置的體積，我們將濾波、整形、計數(shù)和譯碼電路全部設計在一塊PCB板上。3個7段共陰極數(shù)碼管則設計在另外一塊PCB板上，保護電阻也全部使用貼片電阻。圖5(a)和(b)給出了我們根據(jù)上述原理設計制作的光電計數(shù)器的光電探頭以及PCB板，光電探頭原理：一旦有光照射到光敏電阻上，則光敏電阻的阻值降低，比較器的同相輸入端電壓減低，若小于反向輸入端電壓則輸出低電壓，反之，則輸出高電壓。通過旋轉(zhuǎn)圖中藍色的旋鈕，可以改變反向輸入端的電壓，即調(diào)整觸發(fā)閾值。圖5(c)是光電計數(shù)器成品圖，由該圖可以很明顯看出我們設計制作的光電計數(shù)器結(jié)構(gòu)簡單，便攜，便于實驗光路的搭建。

圖4 (a)光電計數(shù)器計數(shù)電路圖，(b)光電計數(shù)器譯碼電路圖

圖5 (a)光電探頭，(b)PCB板(計數(shù)部分)，(c)儀器外觀圖

4 光電計數(shù)器測試結(jié)果與分析

實驗中利用邁克爾遜干涉儀和我們設計制作的光電計數(shù)器對波長 的半導體激光器的波長進行測量。我們將制作的光電計數(shù)器放置在干涉環(huán)紋中心，利用此來計數(shù)干涉圓環(huán)冒進或冒出的個數(shù)。在調(diào)整完圓環(huán)中心位置和光電探測器靈敏度后，測量每冒進或冒出10個圓環(huán)干涉環(huán)紋的邁克爾遜干涉儀讀數(shù)，并將測量結(jié)果與用裸眼進行計數(shù)的數(shù)據(jù)進行對比，具體結(jié)果如表1所示。在表中兩列數(shù)據(jù)是利用 (Δd為相鄰兩次鼓輪讀數(shù)之差)求出的激光的波長，最終求平均得到了半導體激光器波長的平均值。由該表可以很清晰的看出：利用我們設計制作的光電計數(shù)器探測得到的激光波長6 506nm，百分差只有0.04%；利用裸眼探測得到的激光波長66 017nm，百分差為1.5%。利用光電計數(shù)器測量的激光波長比裸眼測量的激光波長均值更接近于標準值，百分差縮小37.5倍，標準差縮小近3倍。

為了更加清晰的比較光電計數(shù)器探測波長與裸眼探測波長的情況，我們將兩種探測方法得到的波長總結(jié)在圖6中，其中綠色直線為激光波長標準值，紅色三角點線圖為光電計數(shù)器多次探測的激光波長，藍色圓點線圖是裸眼多次探測的激光波長。圖6表明兩種探測方法得到的激光波長都在標準值附近振蕩，但是光電計數(shù)器得到的激光波長振蕩范圍明顯小于裸眼探測的激光波長振蕩范圍，這進一步說明光電計數(shù)器探測的結(jié)果偏差更小，精確度更高，設計制作的光電計數(shù)器是非常有效的。光電計數(shù)器的計數(shù)范圍為，利用光電計數(shù)器，實驗還可以一次數(shù)更多的環(huán)，這樣實驗精度會更高。以上實驗結(jié)果均表明用光電計數(shù)器進行條紋的讀數(shù)可以達到精確測量波長，提高實驗效率的目的。

表1 實驗數(shù)據(jù)表

圖6 光電計數(shù)器探測和裸眼探測 波長對比圖

5 結(jié) 論

設計制作了計數(shù)范圍0～999條的光電計數(shù)器，利用該裝置可以實現(xiàn)激光波長的精確測量。實驗結(jié)果表明光電計數(shù)器對邁克爾遜干涉環(huán)紋個數(shù)的測量比裸眼測量得到的讀數(shù)精準很多，百分差縮小37.5倍，標準差縮小近3倍。光電計數(shù)器體積小巧，成本低，可以在大學物理實驗教學中廣泛使用。此儀器還可以應用在楊氏雙縫干涉實驗測量激光波長等光學實驗中。光電計數(shù)器可以對接收到的光脈沖信號進行計數(shù)，所以如果將本光電計數(shù)器和激光發(fā)射器搭配可以應用于諸多需要計數(shù)的場合以免去人為計數(shù)的不便和低效。例如：地鐵站的人流量，高速公路收費站的車流量，機場的登機人數(shù)等等，因此本儀器頗具推廣價值。

[1] 柯金瑞.利用邁克爾遜干涉儀測定液體折射率[J].物理實驗,2000,20(2):10-11.

[2] 漆建軍，馬文華，肖化.基于線陣CCD的邁克爾遜干涉儀測量金屬絲的彈性模量[J].實驗室研究與探索,2010,29(1):19-22.

[3] 湯國富，范婷.邁克爾遜干涉儀測定金屬線脹系數(shù)實驗分析——升溫測量和降溫測量[J].大學物理實驗，2015，28(1):24-26.

[4] 孫寶光，譚仁兵，張啟義.邁克爾遜干涉儀對壓電陶瓷動態(tài)特性的研究[J].壓電與聲光，2015，37(5):887-891.

[5] 蔣禮，羅少軒，陽艷，等.用邁克爾遜干涉儀測量全息干板膜厚度[J].應用光學，2006，27(3):250-253.

[6] 黃寒璐，劉東，楊甬英.基于視場展寬邁克爾孫干涉儀的高光譜分辨率激光雷達濾光器設計研究[J].中國激光，2014，41(9):251-258.

[7] 吳弘，張禮，陳杰.基于FPGA的邁克耳孫干涉儀測量激光波長[J].物理實驗，2015，35(10):32-36.

[8] 毛巍威.邁克爾遜干涉儀自動計數(shù)器的設計[J].電腦知識與技術(shù)，2012,8(34):8308-8310.

[9] 喬克，羊富貴，夏忠朝，等.基于Matlab的邁克爾遜干涉實驗仿真[J].大學物理實驗，2015(2)：93-95.

Development of Interference Ring Photoelectric Counter for Michelson Interferometer

MAO Tian-wei,LOU Jia-qi,YIN Yan-ning,YIN Ya-ling

(East China Normal University,Shanghai 200241)

Based on the alternate light and shade change principle of interference ring pattern,we design and produce a photoelectric counter that can be used in the counting of the Michelson interference interferometer.By using this instrument,we can accurately and efficiently to achieve interference ring pattern counting.It can reduce interference fringes counting error due to human and improve the accuracy and stability.We use photoelectric counter to detect the interference ring pattern photoelectric counter for instrument of laser wavelength experiments based on Michelson interferometer.The experimental results show that the experimental accuracy for the photoelectric counter is significantly in creased much more than the naked eye detection,its percent difference is narrowed by 37.5 times and the standard deviation is reduced by nearly 3 times.

photoelectric counter；Michelson interferometer；laser wavelength

2016-06-23

華東師范大學大夏基金項目

1007-2934(2016)06-0060-05

O 4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.006.015

*通訊聯(lián)系人