基于单片机改造迈氏干涉仪自动测量微小长度

摘要：为了能精确地自动测量He-Ne激光波长和透明薄膜厚度，采用单片机驱动步进电机带动迈克尔干涉仪的微调手轮转动，使光屏上产生稳定变化的干涉条纹，用光电二极管检测条纹信号光强变化，通过光电转换电路将光信号转变为电信号，输入到单片机进行处理，测量结果自动显示在液晶屏上。在一般实验环境下进行了多次实验，将实验结果与标准值进行比较得出，改造后的仪器测量微小长度速度快，误差小，精确度高。
关键词：单片机；步进电机；迈克尔逊干涉仪；微小长度测量；薄膜厚度测量

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。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2△d；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=2△d／N)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，即可得到薄膜厚度。