基于单片机改造迈氏干涉仪的自动测量微小长度

　　0　引　言

　　薄膜厚度是薄膜性能参数的重要指标,如何准确、快速、方便地测量膜厚在实验中具有十分重要的意义。迈克尔逊干涉仪测量激光波长是大学物理实验中重要的一部分,实验时实验者手动调节微调手轮,人眼观察干涉条纹,带来很多人为误差,影响测量结果[1]。为了保护实验者视力,提高测量精度,扩大测量范围,同时促进光学教学实验仪器的发展,在研究单片机的基础上,对迈克尔逊干涉仪进行了探索和改造。

　　改造后的迈克尔逊干涉仪在不改变物理学基本原理的基础上,增加了电子技术中的大量元素,使物理学和电子技术很好地结合起来,实现了对激光波长和薄膜厚度的自动测量。测量简便、精确度高,有一定的实用性。

　　1　系统工作原理

　　基于单片机改造的迈克尔干涉仪进行微小长度的自动测量,测量对象为激光波长和薄膜厚度,系统工作原理如图1所示。

　　1.1　激光波长测量

　　使用He-Ne激光作光源,利用光的分振幅干涉法。用步进电机带动微调手轮转动代替手动调节,电机旋转角度对应光程差为2Δd;光屏上得到的“吞”、“吐”条纹,通过光电转换电路转换为脉冲信号,输入到单片机进行计数(条纹数N),代替了人眼观察条纹计数;测量步骤、结果(波长λ=2Δd/N)[2-3]及相对误差通过液晶屏显示,从而实现波长自动测量。

　　1.2　薄膜厚度测量

　　使用白光作光源,利用等厚干涉法。光路原理图如图2所示,当白光光程差为零时发生干涉现象,将光屏上的彩色条纹通过光电转换电路转换为脉冲信号,同时记录M1的初位置d1;放入薄膜后,光程差增大,彩色条纹消失;电机带动M1移动到彩纹再现,记录M1的末位置[4-7]d2。用阿贝折射仪测出薄膜折射率n,输入到单片机,根据公式进行处理[8],即可得到薄膜厚度。

　　2　系统结构及硬件电路设计

　　系统结构主要是在原有物理光学仪器———迈克尔干涉仪的基础上增加了电子技术的设计模块,如图3所示。模块包括:单片机系统、键盘控制单元、电机驱动电路、光电转换电路和液晶显示单元[9]。

　　2.1　光电转换电路设计[10]

　　光电转换电路由两部分组成,如图4所示,氦氖激光干涉条纹检测和白光干涉彩纹检测,它的作用是把变化的光信号转换为可供单片机识别的脉冲信号。

　　2.1.1　激光干涉条纹检测

　　该部分由两个光敏二极管,偏置电阻R1,R2,分压电阻R3,R4和一个运算放大器A1组成。当微调旋钮转动时,光屏上会出现圆环型“吞”、“吐”条纹,一个光敏二极管对准圆环条纹正中心,另一个用于检测背景光,这样设计可以大大减小外界光强的影响,在一般光强下均可测量。光敏二极管对变化的光信号敏感,加上偏置电阻R1和R2后会输出合适的电信号。分压电阻R3,R4给运算放大器的反向输入端提供合适的门限电压,电信号从同向输入端输入,当高于反向输入端的门限电压Um1时,输出电压翻转到电源电压的正极(+5 V),当输入电压低于反向端的门限电压Um1时,输出电压翻转到电源电压的地(0 V)。由此,“吞”、“吐”条纹转换为了脉冲信号。