茅天偉，婁家奇，尹燕寧，尹亞玲

(華東師范大學(xué)，上海 200241)

邁克爾遜干涉儀干涉環(huán)紋光電計(jì)數(shù)器的研制

茅天偉，婁家奇，尹燕寧，尹亞玲*

(華東師范大學(xué)，上海 200241)

利用干涉環(huán)紋明暗交替變化的原理，設(shè)計(jì)制作了可以用于邁克爾遜干涉儀的干涉環(huán)紋計(jì)數(shù)的光電計(jì)數(shù)器，利用此儀器可以精確高效地實(shí)現(xiàn)干涉環(huán)紋的計(jì)數(shù)，減少了由于人眼進(jìn)行干涉環(huán)紋計(jì)數(shù)的誤差，提高了實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定度和精度。我們將制作的干涉環(huán)紋光電計(jì)數(shù)器用于基于邁克爾遜干涉儀的激光波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明采用光電計(jì)數(shù)器之后，實(shí)驗(yàn)精度比裸眼探測(cè)明顯提高，百分差縮小37.5倍，標(biāo)準(zhǔn)差縮小近3倍。

光電計(jì)數(shù)器；邁克爾遜干涉儀；激光波長(zhǎng)

邁克爾遜干涉儀是1883年美國(guó)物理學(xué)家邁克爾遜與莫雷合作為了研究“以太”漂移設(shè)計(jì)制造出來(lái)的精密光學(xué)儀器，它是利用分振幅法產(chǎn)生雙光束以實(shí)現(xiàn)干涉，其在現(xiàn)代物理和計(jì)量之中有著廣泛的應(yīng)用。例如：利用邁克爾遜干涉儀測(cè)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(dá)濾光器[6]等等。

基于邁克爾遜干涉儀的激光波長(zhǎng)的測(cè)量是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中基礎(chǔ)且重要的光學(xué)實(shí)驗(yàn)。但是，該實(shí)驗(yàn)中要求學(xué)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(jì)數(shù)使實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度得不到保證[7]。同時(shí)實(shí)驗(yàn)中為了減少測(cè)量誤差需要分多組測(cè)量條紋數(shù)數(shù)據(jù)，課堂大多數(shù)時(shí)間用在機(jī)械的讀數(shù)上[8-9]。為了減少實(shí)驗(yàn)中人為引入的誤差同時(shí)增加實(shí)驗(yàn)效率，我們?cè)O(shè)計(jì)制作了光電計(jì)數(shù)器來(lái)替代裸眼，通過(guò)計(jì)數(shù)器的累加來(lái)實(shí)現(xiàn)干涉環(huán)紋移動(dòng)數(shù)的自動(dòng)測(cè)量。

1 基于邁克爾遜干涉儀的激光波長(zhǎng)測(cè)量原理

圖1(a) 邁克爾遜干涉儀光路簡(jiǎn)圖

圖1(b) 干涉圓環(huán)圖

2 光電計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)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(guò)光電探測(cè)器將干涉環(huán)紋中心條紋的光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，高電平對(duì)應(yīng)明環(huán)紋，低電平對(duì)應(yīng)暗環(huán)紋。轉(zhuǎn)換后得到的電信號(hào)通過(guò)濾波整形后可以被計(jì)數(shù)電路識(shí)別進(jìn)而實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。最后通過(guò)譯碼器就可將實(shí)時(shí)的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上。整個(gè)系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。

圖2 光電計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)原理框圖

3 光電計(jì)數(shù)器具體實(shí)施方案

3.1 光電計(jì)數(shù)器濾波整形電路

光電計(jì)數(shù)器濾波電路如圖3所示，濾波電路使用了簡(jiǎn)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(dòng)等干擾。這樣我們就可以使光電計(jì)數(shù)探測(cè)器的光電探頭將干涉環(huán)紋中心的冒出或冒進(jìn)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。由于濾波之后的信號(hào)幅度會(huì)有所改變，因此我們利用整形電路將濾波后的信號(hào)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(jì)數(shù)器濾波電路圖

3.2 光電計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)電路

為了克服傳統(tǒng)的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160不能異步置零的缺點(diǎn)，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(jìn)制計(jì)數(shù)。并將2腳接一個(gè)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(jìn)制計(jì)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(jì)數(shù)器譯碼電路

光電計(jì)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(jì)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(jì)數(shù)電路所輸出的十進(jìn)制信號(hào)輸入74LS48譯碼，并將74LS48的與數(shù)碼管的對(duì)應(yīng)連接，如此就可以在數(shù)碼管上讀取計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)。

為了進(jìn)一步減小裝置的體積，我們將濾波、整形、計(jì)數(shù)和譯碼電路全部設(shè)計(jì)在一塊PCB板上。3個(gè)7段共陰極數(shù)碼管則設(shè)計(jì)在另外一塊PCB板上，保護(hù)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(shè)計(jì)制作的光電計(jì)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(guò)旋轉(zhuǎn)圖中藍(lán)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(jì)數(shù)器成品圖，由該圖可以很明顯看出我們?cè)O(shè)計(jì)制作的光電計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便攜，便于實(shí)驗(yàn)光路的搭建。

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

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

4 光電計(jì)數(shù)器測(cè)試結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中利用邁克爾遜干涉儀和我們?cè)O(shè)計(jì)制作的光電計(jì)數(shù)器對(duì)波長(zhǎng) 的半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量。我們將制作的光電計(jì)數(shù)器放置在干涉環(huán)紋中心，利用此來(lái)計(jì)數(shù)干涉圓環(huán)冒進(jìn)或冒出的個(gè)數(shù)。在調(diào)整完圓環(huán)中心位置和光電探測(cè)器靈敏度后，測(cè)量每冒進(jìn)或冒出10個(gè)圓環(huán)干涉環(huán)紋的邁克爾遜干涉儀讀數(shù)，并將測(cè)量結(jié)果與用裸眼進(jìn)行計(jì)數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(zhǎng)，最終求平均得到了半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)的平均值。由該表可以很清晰的看出：利用我們?cè)O(shè)計(jì)制作的光電計(jì)數(shù)器探測(cè)得到的激光波長(zhǎng)6 506nm，百分差只有0.04%；利用裸眼探測(cè)得到的激光波長(zhǎng)66 017nm，百分差為1.5%。利用光電計(jì)數(shù)器測(cè)量的激光波長(zhǎng)比裸眼測(cè)量的激光波長(zhǎng)均值更接近于標(biāo)準(zhǔn)值，百分差縮小37.5倍，標(biāo)準(zhǔn)差縮小近3倍。

為了更加清晰的比較光電計(jì)數(shù)器探測(cè)波長(zhǎng)與裸眼探測(cè)波長(zhǎng)的情況，我們將兩種探測(cè)方法得到的波長(zhǎng)總結(jié)在圖6中，其中綠色直線為激光波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)值，紅色三角點(diǎn)線圖為光電計(jì)數(shù)器多次探測(cè)的激光波長(zhǎng)，藍(lán)色圓點(diǎn)線圖是裸眼多次探測(cè)的激光波長(zhǎng)。圖6表明兩種探測(cè)方法得到的激光波長(zhǎng)都在標(biāo)準(zhǔn)值附近振蕩，但是光電計(jì)數(shù)器得到的激光波長(zhǎng)振蕩范圍明顯小于裸眼探測(cè)的激光波長(zhǎng)振蕩范圍，這進(jìn)一步說(shuō)明光電計(jì)數(shù)器探測(cè)的結(jié)果偏差更小，精確度更高，設(shè)計(jì)制作的光電計(jì)數(shù)器是非常有效的。光電計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)范圍為，利用光電計(jì)數(shù)器，實(shí)驗(yàn)還可以一次數(shù)更多的環(huán)，這樣實(shí)驗(yàn)精度會(huì)更高。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明用光電計(jì)數(shù)器進(jìn)行條紋的讀數(shù)可以達(dá)到精確測(cè)量波長(zhǎng)，提高實(shí)驗(yàn)效率的目的。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖6 光電計(jì)數(shù)器探測(cè)和裸眼探測(cè) 波長(zhǎng)對(duì)比圖

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)制作了計(jì)數(shù)范圍0～999條的光電計(jì)數(shù)器，利用該裝置可以實(shí)現(xiàn)激光波長(zhǎng)的精確測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明光電計(jì)數(shù)器對(duì)邁克爾遜干涉環(huán)紋個(gè)數(shù)的測(cè)量比裸眼測(cè)量得到的讀數(shù)精準(zhǔn)很多，百分差縮小37.5倍，標(biāo)準(zhǔn)差縮小近3倍。光電計(jì)數(shù)器體積小巧，成本低，可以在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中廣泛使用。此儀器還可以應(yīng)用在楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)測(cè)量激光波長(zhǎng)等光學(xué)實(shí)驗(yàn)中。光電計(jì)數(shù)器可以對(duì)接收到的光脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，所以如果將本光電計(jì)數(shù)器和激光發(fā)射器搭配可以應(yīng)用于諸多需要計(jì)數(shù)的場(chǎng)合以免去人為計(jì)數(shù)的不便和低效。例如：地鐵站的人流量，高速公路收費(fèi)站的車流量，機(jī)場(chǎng)的登機(jī)人數(shù)等等，因此本儀器頗具推廣價(jià)值。

[1] 柯金瑞.利用邁克爾遜干涉儀測(cè)定液體折射率[J].物理實(shí)驗(yàn),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(cè)量金屬絲的彈性模量[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010,29(1):19-22.

[3] 湯國(guó)富，范婷.邁克爾遜干涉儀測(cè)定金屬線脹系數(shù)實(shí)驗(yàn)分析——升溫測(cè)量和降溫測(cè)量[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2015，28(1):24-26.

[4] 孫寶光，譚仁兵，張啟義.邁克爾遜干涉儀對(duì)壓電陶瓷動(dòng)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(yáng)艷，等.用邁克爾遜干涉儀測(cè)量全息干板膜厚度[J].應(yīng)用光學(xué)，2006，27(3):250-253.

[6] 黃寒璐，劉東，楊甬英.基于視場(chǎng)展寬邁克爾孫干涉儀的高光譜分辨率激光雷達(dá)濾光器設(shè)計(jì)研究[J].中國(guó)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(cè)量激光波長(zhǎng)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2015，35(10):32-36.

[8] 毛巍威.邁克爾遜干涉儀自動(dòng)計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)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(shí)驗(yàn)仿真[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，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(xué)大夏基金項(xiàng)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