基于單片機改造邁氏干涉儀自動測量微小長度

摘要：為了能精確地自動測量He-Ne激光波長和透明薄膜厚度，采用單片機驅動步進電機帶動邁克爾干涉儀的微調手輪轉動，使光屏上產生穩定變化的干涉條紋，用光電二極管檢測條紋信號光強變化，通過光電轉換電路將光信號轉變為電信號，輸入到單片機進行處理，測量結果自動顯示在液晶屏上。在一般實驗環境下進行了多次實驗，將實驗結果與標準值進行比較得出，改造后的儀器測量微小長度速度快，誤差小，精確度高。
關鍵詞：單片機；步進電機；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的重要指標，如何準確、快速、方便地測量膜厚在實驗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物理實驗中重要的一部分，實驗時實驗者手動調節微調手輪，人眼觀察干涉條紋，帶來很多人為誤差，影響測量結果。為了保護實驗者視力，提高測量精度，擴大測量范圍，同時促進光學教學實驗儀器的發展，在研究單片機的基礎上，對邁克爾遜干涉儀進行了探索和改造。
改造后的邁克爾遜干涉儀在不改變物理學基本原理的基礎上，增加了電子技術中的大量元素，使物理學和電子技術很好地結合起來，實現了對激光波長和薄膜厚度的自動測量。測量簡便、精確度高，有一定的實用性。

1 系統工作原理
基于單片機改造的邁克爾干涉儀進行微小長度的自動測量，測量對象為激光波長和薄膜厚度，系統工作原理如圖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。用步進電機帶動微調手輪轉動代替手動調節，電機旋轉角度對應光程差為2△d；光屏上得到的“吞”、“吐”條紋，通過光電轉換電路轉換為脈沖信號，輸入到單片機進行計數(條紋數N)，代替了人眼觀察條紋計數；測量步驟、結果(波長λ=2△d／N)及相對誤差通過液晶屏顯示，從而實現波長自動測量。
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，當白光光程差為零時發生干涉現象，將光屏上的彩色條紋通過光電轉換電路轉換為脈沖信號，同時記錄M1的初位置d1；放入薄膜后，光程差增大，彩色條紋消失；電機帶動M1移動到彩紋再現，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，根據公式進行處理，即可得到薄膜厚度。