迈克尔逊干涉仪测光波长实验的改进

迈克尔逊干涉仪测光波长实验的改进摘要：对现有迈克尔逊干涉仪测光波长实验进行改进，应用线阵CCD与单片机结合，达到光电转换法精确计数干涉条纹的目的。并在原有仪器上增加防抖装置，提高精度。通过实验对比得出，新的实验装置操作简单、实验精度高、误差小，且减少激光对人体的伤害，有推广价值。关键词：迈克尔逊干涉仪改进；条纹计数；光电转换1引言迈克尔逊干涉仪利用分振幅法产生双光束以实现干涉，通过调整该干涉仪，可以产生等厚干涉条纹，也可以产生等倾干涉条纹。干涉光路中光程差的改变将引起干涉环不断地“冒出”或“淹没”。对干涉环的准确计数，可精确测量光程差的变化量。基于此原理，迈克尔逊干涉用在测量微小长度的精密仪器上，可用来测光波的波长、全息干板膜厚度、压电常数、折射率等。2原有实验的弊端在所有的应用中，关键技术是对干涉条纹变化的准确计数。在原有的“迈克尔逊测激光波长”的试验中，采用手工检测计数。实验者要紧盯测屏，调动微调手轮，观察干涉条纹的变化，记录干涉条纹明暗变化次数，而且一组数据需要连续记录上百个条纹数目。实验者稍有抖动或注意力分散，就会有错数或漏数条纹个数的现象，造成比较大的实验误差。故原有实验仪器存在以下弊端：（1）实验者长时间紧盯观测屏，会造成眼睛疲劳，容易漏数或错数条纹数目，增大实验误差。（2）为减小误差，需要分多组测量纹计数，人工测量的方法会限制测量条纹数目的增加。（3）强烈的激光干涉条纹会对人的眼睛造成很大的伤害。（4）实验时轻微的抖动或空气振动，就会造成干涉条纹的变动，不便于眼睛观测，影响实验者的计数工作。3实验的改进3.1迈克尔逊干涉实验G1和G2是两块平行放置的平行平面玻璃板，它们的折射率和厚度都完全相同。G1的背面镀有半反射膜，称作分光板。G2称作补偿板。M1和M2是两块平面反射镜，它们装在与G1成45º角的彼此互相垂直的两臂上。M2固定不动，M1可沿臂轴方向前后平移。由扩展光源S发出的光束，经分光板分成两部分，它们分别近于垂直地入射在平面反射镜M1和M2上。经M1反射的光回到分光板后一部分透过分光板沿E的方向传播，而经M2反射的光回到分光板后则是一部分被反射在E方向。由于两者是相干的，在E处可观察到相干条纹。光束自M1和M2上的反射相当于自距离为d的M1和M2ˊ上的反射，其中M2ˊ是平面镜M2为分光板所成的虚像。因此，迈克尔逊干涉仪所产生的干涉与厚度为d、没有多次反射的空气平行平面板所产生的干涉完全一样。经M1反射的光三次穿过分光板，而经M2反射的光只通过分光板一次，补偿板就是为消除这种不对称性而设置的。双光束在观察平面处的光程差由下式给定：Δ＝2dcosi式中：d是M1和M2ˊ之间的距离，i是光源S在M1上的入射角。3.2实验仪器改进（1）在实验中我们为了能在计数时获得更精确的数据，防止人为计数出现的误差，将观察屏替换成线阵ＣＣＤ元件进行计数，并由单片机和计算机进行统计与计算处理数据。（2）为避免振动对干涉条纹的影响，设定CCD采取条纹的时间的最小间隔T大于手动旋转获得干涉条纹的时间间隔t，排除由于振动而造成采取不正确的条纹，进一步提高了干涉条纹数目获取的精度。（3）在调节光路时，使用暗场成像的方式，可以建立支架并用一个罩子将干涉仪罩上。这样可以避免外界光线的干扰，使光斑更清晰。同时不但也可以避免外界空气扰动的影响，有助于仪器的调节和精度的提高，而且可以防尘防污，有效保护光学元件。（4）为减小振动对实验仪器的影响，可加装防震底座，进一步减少外在影响误差，提高实验精度。（5）为了提高实验精度，测量时粗调手轮和微调手轮应始终向同一方向旋转，读数时也应向同一方向旋转，且必须避免引入空回。可在微调手轮上加一套索固定装置，使其一次只能沿同一方向转动。若需反向转动，可手动更改固定。3.3计数系统原理图3.4CCD计数原理CCD是在时钟脉冲控制下，利用位移寄存器的功能实现电荷包的读取与输入，形成一系列幅值不等的时钟脉冲序列。从CCD出来的信号，经放大滤波后得到如图１所示的信号波形，再经比较器进行二值化处理，得到矩形信号，如图２。当条纹相应移动时，首先确定某采样像素i在图２上为上升沿，然后跟踪该像素，对上升沿计数，这样经计数器得到干涉条纹的个数Ｋ。由于ＣＣＤ具有自扫描功能，因此可随时取出第一幅静态图像经后续处理计算像素i所在明暗条纹所占相元个数A，像素i距下一个下降沿像素数B，这样就可对移动条纹进行细分，总的条纹移动数为：N=K+B/A3.5实验仪器的降噪在手动旋转手轮时，干涉条纹的“冒出”或“淹没”的速度较慢，干涉条纹在CCD上的光强变化较慢。但震动造成的微小条纹晃动，在线阵CCD采集元件上的光强变化速率却很快。我们可以建立采集条纹函数及其程序，设定光强变化时间间隔T，不得小于手动旋转手轮采取干涉条纹时条纹“冒出”或“淹没”的时间间隔t。这样获取的干涉条纹条数就可以将由于震动造成的非正常移动条纹去掉了。4改进后预期结果经过改进，在实验时将显著改善干涉环难以计数的情况，不但可以精确检测并统计干涉条纹的明暗变化次数，大大减小实验误差，而且减小了眼睛观察条纹的疲劳感，避免激光对眼睛的伤害。参考文献：[1]陈聪，李定国，刘照世，秦国斌.大学物理实验［Ｍ］.北京：国防工业出版社.[2]田光善，王永成等.大学物理.［Ｍ］北京：高等教育出版社，CN11-1910/04.[3]黄继昌等．传感器工作原理及应用实例［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，1998.