单片机控制的高精度Michelson干涉型波长计

kajchild

摘要: 设计了Michelson 干涉型激光波长计干涉条纹的单片微机计数硬件电路,编写了8254计数和Keil C51波长
运算程序.为提高仪器的测量精度,在硬件和软件.上提出了新的设计方案.两个8254计数器可以在单片微机的控制
下自动从参考光脉冲信号的下降沿开始对参考信号和被测信号同时计数;参考激光干涉条纹计数满1 500 000后，
参考信号和被测信号的计数器可以同时被自动锁定;单片徽机得到锁定信号后,完成两个计数值的读取、波长运
算、10次移位平均和7位波长显示.对633 nm和532 nm两种稳频激光波长进行了实际测量,测量数据表明该计数
- C, m1 r9 ^# l系统使波长的测量精度达到2x 10-7.

关键词:波长计;迈克尔逊干涉; 8254定时器;计数电路;单片机.

4 k1 p5 I, u) x7 ?* p2 P' ]激光波长/频率测量仪器即波长计,可用来测量调
谐激光器的输出波长值,或者用于测量未知激光的波
$ d; J' E( p7 ^8 \  G长值,在光频标研究领域有着重要的作用.激光波长计
# v, s1 a2 t, ]5 i* y基于迈克尔逊干涉原理:两束激光相互叠加,产生干涉
条纹，比对已知波长的参考激光和未知波长的被测激
光的干涉条纹数目,可以获得被测激光的波长/频率.
! [$ {, o) |9 a- L; F& i1 T' H  E值" .笔者设计了新型干涉条纹计数电路,并采用单片
计算机进行计数控制与波长计算.
1波长计工作原理
3 O: \* {' p# Q& s9 k. v- [6 ~9 {按照迈克尔逊千涉原理,波长计光路布局如图1
6 @0 _, {4 a3 y( C* }8 B所示.其中标准参考光源采用633 nm内腔型He-Ne激
8 X; X3 D; t, ?& |$ ~; V0 \光器,其波长的稳定度为10-8量级,复现性优于2x
' F8 ?9 e5 u4 G+ R  K% Z10~7,前8位准确值为63 299 141 nm.分光镜是无偏振
分光镜，可移动棱镜选用角锥棱镜组.
" \& p3 Q3 U+ g$ ]% q$ \$ h参考激光和被测激光形成干涉条纹的光路相同.
以参考光为例,说明干涉条纹的形成过程.参考光源输
$ j' [5 w  x/ J- ]* [4 O  l出光東1,到达分光镜,在A点分成两東光:透射光1'
$ C% L- U/ U# Y) ?% V和反射光2 ;透射光I'经反射镜R,进入可动角锥反
射镜C, ,再从角锥反射镜C返回到反射镜R ,形成反
5 Y+ {% s* m- y6 B9 f射光1",回到分光镜的B处;同时,A点反射光2"经反
射镜R和角锥反射镜C后,形成反射光2,也返回到
B处,光東1"和2在B点汇合,发生干涉,到光探测器
D.接收,然后转换为电信号,在梭镜的移动下形成正弦
( r3 t  i3 S4 ]* ^, j信号,经过16细分、整形，最后进入后面的计数电
路[2-3].
分析.上述过程可知:被测激光分光点在B处,合.
光点在A处,干涉条纹由光探测器D2接收,并转换为
8 X% z9 j* Q) @: N; V$ ?+ `1 j电信号.波长计工作时,驱动电机拖动可移动棱镜C、
  O% A7 j& H, f0 Y+ K' ~C沿轴向往返平动,使参考激光和被测激光产生光程
% P; y5 ?4 [1 M- O1 f8 I8 b差,发生干涉现象,光探测器D,和D2接收到二者的干
. P3 v" [/ Q7 K& r6 M% K涉条纹,由此得到它们的脉冲信号,经过数据采集和处
/ {8 E0 Y$ V$ g) y& J理电路得到参考激光和被测激光干涉条纹数目.为了
使可移动棱镜平稳运行,采用音圈电机,可移动棱镜不
会出现爬行动作,保证了干涉条纹电信号的连续和稳
; F' Z+ i8 V- S% }9 R3 H定
根据光的相干干涉理论,被测激光波长
( ~) p. B  j  _/ Z+ L1 \- h
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两个8254计数器可以在单片微机的控制下自动从参考光脉冲信号的下降沿开始对参考信号和被测信号同时计数