迈克尔逊干涉仪自动计数器的设计

第２３卷第１期　２０１０年２月　大学物理实验　ＰＨＹＳＩＣＡＬ　ＥＸＰＥＲＩ　ＥＮＴ　０Ｆ　Ｃ０ＬＬＥＧＥ　Ｖｏ１．２３　Ｎ０．１　Ｆｅｂ．２０１０　

文章编号：１００７—２９３４（２０１０）０１—００６３—０３　

自动记录干涉条纹数目装置的研制　

刘　芬，韩叶茂，杨田林　

（山东大学，山东威海２６４２０９）　

摘　要：针对大学物理实验——迈克耳逊干涉仪的原理与使用实验中，实验观察人员记录大量干　涉条纹数目过程中存在较大人为误差的实际状况，研制了一套能够自动记录条纹数目的实验装置，切实　解决了实验过程中的人为误差问题，提高了实验的准确性。装置具有设计原理简单巧妙、使用方便、成本　低廉的特点，有很好的推广前景。　关键词：教学实验仪器；迈克尔逊干涉仪；干涉条纹　中图分类号：０　４３６．１　文献标识码：Ａ　

迈克尔孙干涉仪的原理与使用是大学物理实　

验基础光学部分的重要内容，通过该仪器一方面　

可以直观了解等倾、等厚干涉现象，另一方面利用　

该仪器还可以进行一些物体的形变测量。目前在　

高校普遍开设的借助迈克尔逊干涉仪观察非定域　

干涉条纹，测量激光波长的实验中，同学们需要一　

边手动调节动镜位置，一边目测观察屏，数取中心　

处“吞”“吐”干涉条纹的数目，通常要求记录最少　

５００条条纹变化对应的动镜移动距离，所以长时　

间观察条纹干涉图像引起的视觉疲劳容易导致条　

纹数目数错的情况，给实验带来明显的人为误差。　

鉴于此，研制一个能够自动记录条纹数目的装置　

以帮助实验人员记数，使同学们只需调节动镜位　

置，眼睛观察自动显示窗口的示数就可完成实验。　

所以，本装置的设计符合人性化设计理念，能够改　

善实验质量，提升教学效果。　

１　实验装置的设计原理及构造　

选用光敏二极管作为光信号探测器，光敏二　

极管的管芯在没有光照时，反向电流非常小；受到　

光线照射时，由于光激发，在反向电压作用下，形　

成较大的反向电流。根据这种特性，当光敏二极管　

与定值电阻串联连接时，由分压电路原理可知，光　

第３３卷　第９期　２０１３年９月　物理实验　ＰＨＹＳＩＣＳ　ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＴＩｏＮ　Ｖｏ１．３３　Ｎｏ．９　Ｓｅｐ．，２０１３　

迈克耳孙干涉仪条纹计数器的研制　

彭　莉，田　勇，郭　斌　

（武汉理工大学理学院，湖北武汉４３００７０）　

摘要：设计了电路简单、可自动识别条纹移动方向的迈克耳孙干涉仪条纹计数器．该计数器仅用９个常见的分立　元件即实现了对光信号的采集、放大、滤波、整形的功能，并有效地去除了计数过程中的干扰因素．输出信号经条纹移动　方向识别电路后，送人可逆计数器能自动进行相应的加计数或减计数并显示．　关键词：可逆计数器；干涉条纹；方向识别电路　中图分类号：０４３６．１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５－４６４２（２０１３）０９－００１３—０４　

１　引　言　

迈克耳孙干涉仪是用分振幅的方法实现干涉　的光学仪器，其设计巧妙，可用来准确测定微小长　

度、光的波长、透明体的折射率等．利用该仪器的　原理，研究出了多种专用干涉仪，这些干涉仪在近　

代物理和近代计量技术中被广泛应用．因此，迈　

克耳孙干涉仪作为具有代表性的基本光学仪器，　是大学物理实验课程要求学生掌握的基础仪器．　在迈克耳孙实验中，很多物理量（如波长、折射率、　

透明材料厚度等）都是通过测定干涉条纹数目的　变化进行间接测量的．实验过程中，为了提高测　量结果的准确度，通常需要学生长时间地测量大　

量干涉条纹的变化数目．如在用迈克耳孙干涉仪　测量光源波长的实验中［１］，需要观察接收屏上干　

涉圆环在圆心处的“冒出”和“缩进”现象，每“冒　出”或“缩进”５０个干涉环，记录１次动镜在导轨　

上的位置．该过程需要人工连续数出３５０个干涉　环，极易造成学生视力疲劳，并容易产生读数误　

差，降低实验准确度．因此很多研究者都在不断　探索干涉条纹自动计数的方法，目前干涉条纹计　

数器的设计思路主要可分为３类：一类是基于单　片机设计的计数器［２　］，它的可调性强，灵活度高，　

ComputerKnowledgeandTechnology电脑知识与技术

计算机工程应用技术本栏目责任编辑：梁书第8卷第34期(2012年12月)

迈克尔逊干涉仪自动计数器的设计

毛巍威，李永涛，包刚，李兴鳌，徐凯臣，杨运升

（南京邮电大学，江苏南京210046）

摘要：该文介绍了一种迈克尔逊干涉仪自动计数器的设计与应用。该计数器通过比较光敏电阻和阈值来采集干涉条纹的

变化，同时产生与明暗条纹相对应的电脉冲，再通过单片机来计数并显示。结构简单,具有较好的实用性,并且实验人员测

量时可以从烦琐的读数工作中解脱出来。实验测试结果显示，该装置改善了人工计数引起的一些问题，降低了测量产生

的误差，提高了实验结果的精确度。

关键词:迈克尔逊干涉仪；计数器；干涉条纹；单片机；光敏电阻

中图分类号：O4-333文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)34-8308-03

TheDesignofAutomaticCounterforMichelsonInterferometer

MAOWei-wei，LIYong-tao，BAOGang，LIXing-ao，XUKai-chen，YANGYun-sheng

(NanjingUniversityofPostsandTelecommunications,Nanjing210046,China)

Abstract:ThedesignandapplicationsofautomaticcounterforMichelsoninterferometerarepresented.Thephotoconductivere⁃

sistanceandthresholdscomparatorareusedinthedevicetocollecttheinterferencestripes,producingtheelectricimpulsescorre⁃

spondingtothelightanddarkstripes.Theelectricimpulsesarecountedanddisplayedbythemicrocontrollers.Thedeviceforthe

1 广东第二师范学院实验预习报告

院（系）名称 物理系 班别 姓名

专业名称 物理学（师范） 学号

实验课程名称 普通物理实验（二）

实验项目名称 迈克尔逊干涉仪的调整和使用

内容包含：实验目的、实验原理简述、实验中注意事项、实验预习中的问题探讨

【实验目的】

1. 了解迈克尔逊干涉仪的结构、原理和调节方法；

2. 观察等倾干涉、等厚干涉现象；

3. 利用迈克尔逊干涉仪测量He-Ne激光器的波长；

【实验原理简述】

在图M2′是镜子M2经A面反射所成的虚像。调整好的迈克尔逊干涉仪，在标准状态下M1、M2′互相平行，设其间距为d.。用凸透镜会聚后的点光源S是一个很强的单色光源，其光线经M1、M2反射后的光束等效于两个虚光源S1、S2′发出的相干光束，而S1、S2′的间距为M1、M2′的间距的两倍，即2d。虚光源S1、S2′发出的球面波将在它们相遇的空间处处相干，呈现非定域干涉现象，其干涉花纹在空间不同的位置将可能是圆形环纹、椭圆形环纹或弧形的干涉条纹。通常将观察屏F安放在垂直于S1、S2′的连线方位，屏至S2′的距离为R，屏上干涉花纹为一组同心的圆环，圆心为O。

设S1、S2′至观察屏上一点P的光程差为δ，则：

一般情况下dR，则利用二项式定理并忽略d的高次项，于是有：

2 所以：

由式(3)可知：

θ=0，此时光程差最大，δ=d2，即圆心所对应的干涉级最高。旋转微调鼓轮使M1移动，若使d增加时，可以看到圆环一个个地从中心冒出，而后往外扩张；若使d减小时，圆环逐渐收缩，最后消失在中心处。每“冒出”(或“消失”)一个圆环，相当于S1、S2′的距离变化了一个波长λ大小。如若“冒出”(或“消失”)的圆环数目为N，则相应的M1镜将移动Δd，显然：

从仪器上读出Δd并数出相应的N，光波波长即能通过式(4)计算出来。

对于较大的d值，光程差δ每改变一个波长所需的θ的改变量将减小，即两相邻的环纹之间的间隔变小，所以，增大d时，干涉环纹将变密变细。