基于單片機(jī)改造邁氏干涉儀自動(dòng)測量微小長度

摘要：為了能精確地自動(dòng)測量He-Ne激光波長和透明薄膜厚度，采用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)邁克爾干涉儀的微調(diào)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使光屏上產(chǎn)生穩(wěn)定變化的干涉條紋，用光電二極管檢測條紋信號(hào)光強(qiáng)變化，通過光電轉(zhuǎn)換電路將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，輸入到單片機(jī)進(jìn)行處理，測量結(jié)果自動(dòng)顯示在液晶屏上。在一般實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較得出，改造后的儀器測量微小長度速度快，誤差小，精確度高。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；邁克爾遜干涉儀；微小長度測量；薄膜厚度測量

0 引言
薄膜厚度是薄膜性能參數(shù)的重要指標(biāo)，如何準(zhǔn)確、快速、方便地測量膜厚在實(shí)驗(yàn)中具有十分重要的意義。邁克爾遜干涉儀測量激光波長是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中重要的一部分，實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)驗(yàn)者手動(dòng)調(diào)節(jié)微調(diào)手輪，人眼觀察干涉條紋，帶來很多人為誤差，影響測量結(jié)果。為了保護(hù)實(shí)驗(yàn)者視力，提高測量精度，擴(kuò)大測量范圍，同時(shí)促進(jìn)光學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的發(fā)展，在研究單片機(jī)的基礎(chǔ)上，對邁克爾遜干涉儀進(jìn)行了探索和改造。
改造后的邁克爾遜干涉儀在不改變物理學(xué)基本原理的基礎(chǔ)上，增加了電子技術(shù)中的大量元素，使物理學(xué)和電子技術(shù)很好地結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了對激光波長和薄膜厚度的自動(dòng)測量。測量簡便、精確度高，有一定的實(shí)用性。

1 系統(tǒng)工作原理
基于單片機(jī)改造的邁克爾干涉儀進(jìn)行微小長度的自動(dòng)測量，測量對象為激光波長和薄膜厚度，系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

1．1 激光波長測量
使用He-Ne激光作光源，利用光的分振幅干涉法。用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)微調(diào)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)代替手動(dòng)調(diào)節(jié)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度對應(yīng)光程差為2△d；光屏上得到的“吞”、“吐”條紋，通過光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，輸入到單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)(條紋數(shù)N)，代替了人眼觀察條紋計(jì)數(shù)；測量步驟、結(jié)果(波長λ=2△d／N)及相對誤差通過液晶屏顯示，從而實(shí)現(xiàn)波長自動(dòng)測量。
1．2 薄膜厚度測量
使用白光作光源，利用等厚干涉法。光路原理圖如圖2所示，當(dāng)白光光程差為零時(shí)發(fā)生干涉現(xiàn)象，將光屏上的彩色條紋通過光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，同時(shí)記錄M1的初位置d1；放入薄膜后，光程差增大，彩色條紋消失；電機(jī)帶動(dòng)M1移動(dòng)到彩紋再現(xiàn)，記錄M1的末位置d2。用阿貝折射儀測出薄膜折射率n，輸入到單片機(jī)，根據(jù)公式進(jìn)行處理，即可得到薄膜厚度。