一种光纤智能迈克尔逊干涉仪装置及其使用方法与流程

本发明涉及光学技术领域，更具体地，涉及一种光纤智能迈克尔逊干涉仪装置及其使用方法。

背景技术：

迈克耳逊干涉仪的作用在于利用分光板的反射和透射，将来自光源的一束光波分成两束，并经行不同的光路之后，又经分光板后表面的反射和透射而会合，相互交迭满足相干条件，使之产生干涉条纹。

如图1所示为传统迈克尔逊干涉仪的光路示意图，图1中03、04为厚度完全相同的平行板(分光板03、补偿板04)，分光板03的后表面镀有半透半反膜。固定反射镜06(M2镜)和移动反射镜05(M1镜)后各有几个小螺丝可调节镜面倾斜度。

光源01(可以是氦氖激光器)发出的一束光经扩束镜02扩束后照向分光板03，半透半反的分光板03将一束光分成两束光强近似相当的光束①(反射光)和光束②(透射光)。由于分光板03与M1和M2均成45°角，所以光束①近乎垂直地入射到M1后经反射沿原路返回，然后透过分光板03而到达观察屏07。透射光束②在透射过补偿板04后近于垂直地入射到M2上，经反射也沿原路返回，在分光板03后表面反射后到达观察屏07处，与光束①相遇而产生干涉。

当M1与M2的虚像M2’严格平行时，可以观察到由一系列明暗相间的同心圆组成的等倾干涉圆环。

实验具体操作过程中，为了保证M1与M2’严格平行，即M1和M 2相互垂直时，所使用的方法是：取下观察屏07，用肉眼直接观察分光板03，可看到两组光点，调节M2后的螺丝(有时还需略调节M1后的螺丝)，使两组光点中最亮的两个光点完全重合，装上观察屏理论上就可以观察到等倾干涉条纹。

再移动M 2，进行人工读取中心环的明暗变化的次数，然后读取M 2移动后(主尺、粗调手轮、细调手轮)的刻度。

这种普通的迈克尔逊干涉仪存在着以下不足：

(1)、其结构复杂，需要两块厚度完全相同而且平行的分光板和补偿板。如果这些条件不满足，则很难将其调节修复平行。

(2)、其调节不方便，要调节反射镜M1和M2由于光点光强太大，肉眼观察调两观点重合很不方便。

(3)、容易伤害眼睛，由于激光对人眼有伤害，不能直射入眼。同样，经平面反射镜M1和M2反射后的激光对人眼也有伤害，在调节光点重合时，需要用肉眼长时间观察，因此这样的实验操作对人眼有损伤。

(4)、实验环境黑暗，由于实验形成干涉的光线较弱，观察其明暗变化时需要在黑暗中操作，所以其整个实验都是在黑暗中进行，整个操作和读数时都很不方便。

即使是在读数时开灯照明来进行读数，也会因明暗变化太大眼睛也难以适应，也容易伤害眼睛。

(5)、人为误差较大，由于实验要求读出中心明暗变化几百次，实验的时候因长时间用眼紧紧盯住细小的干涉条纹进行计数相当吃力，而且有时因眼睛疲劳容易发生计数错误，导致较大的实验误差。

技术实现要素：

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种光纤智能迈克尔逊干涉仪装置及其使用方法，解决目前使用的迈克尔逊干涉仪，所存在的结构复杂、调节不便、容易造成眼睛伤害、实验环境黑暗、人为误差较大等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种光纤智能迈克尔逊干涉仪装置，包括光学调节系统、用于发射信号光束和干涉光束的光信号系统和读数调节系统；

所述的光学调节系统包括依次设置的观察屏、扩束镜、凹透镜、凸透镜、半透半反镜和全反镜，所述的凹透镜、凸透镜、半透半反镜和全反镜上均设有挡板；所述的光信号系统设于扩束镜与凹透镜之间；所述的读数调节系统与全反镜连接。挡板使得调节光路时对眼睛的伤害大大减少。

进一步的，所述的光信号系统包括光源、感光器、信号光纤、发射光纤、光纤耦合器、显示屏、单片机、干涉光纤和图像光纤；

所述的光源与发射光纤连接，感光器与信号光纤连接，所述的发射光纤、信号光纤和图像光纤分别与光纤耦合器靠近扩束镜一端连接，所述的光源和感光器分别与单片机电连接，所述的单片机与显示屏电连接，所述的干涉光纤与光纤耦合器靠近凹透镜一端连接。

进一步的，还包括套件和伸缩杆，所述的凹透镜、凸透镜、半透半反镜、全反镜和干涉光纤通过套件固定，所述的伸缩杆与套件底部连接。

进一步的，所述的读数调节系统包括伸缩螺纹、主尺、基座、粗调手轮和细调手轮，所述的伸缩螺纹依次贯穿粗调手轮、细调手轮和基座，所述全反镜下的伸缩杆与伸缩螺纹连接。转动粗调手轮和细调手轮时，伸缩螺纹转动，带动与其螺纹连接的伸缩杆沿着螺纹方向前后移动。

进一步的，还包括导轨支架，所述的光学调节系统、光信号系统和读数调节系统均设于导轨支架上。

进一步的，所述的套件包括固定座、移动座、调节弹簧和调节螺丝，所述的调节螺丝贯穿固定座和调节弹簧，调节螺丝尾部螺纹与移动座螺纹连接，所述的套件上设有标线。扭动调节螺丝，固定座不动，调节螺丝尾部的螺纹带动移动座运动，这样就能实现调节凹透镜、凸透镜、半透半反镜、全反镜和干涉光纤的位置，使光束达到试验所需位置。

进一步的，所述的凹透镜、凸透镜、半透半反镜、全反镜和干涉光纤均通过三个套件固定，所述的套件呈等腰三角形设置，两个设于底角，一个设于顶角。

进一步的，所述的挡板上设有带有刻度的垂直线和水平线，通过带刻度的垂直线和水平线能够精准地校准。

一种光纤智能迈克尔逊干涉仪的使用方法，包括以下步骤：

S1：调整光路调节系统，使干涉光束的光点均落在挡板的中心点上；

S2：启动光信号系统；

S3：调整读数调节系统，读取试验数值。

进一步的，步骤S1的具体过程为：

S101、将全反镜装在对应套件内，盖上全反镜的挡板；

S102、调节干涉光纤的伸缩杆和全反镜的伸缩杆，使干涉光纤中心和全反镜的中心与导轨支架的面等高；

S103、调节套件，使光点落在全反镜的挡板的中心点上；

其调节方法即中心调节法如下：

S103a、先调节两底角的调节螺丝，使光点落在全反镜的挡板的中心垂直线上；

S103b、再调顶角调节螺丝，使光点落在全反镜的挡板的中心点上；

S104、翻开全反镜的挡板，用中心调节法，调节套件，使反射回来的光点照到干涉光纤的中心。再盖上全反镜的挡板；

S105、将半透半反镜装在套件内，盖上半透半反镜的挡板；

调节半透半反镜的伸缩杆，使光点照在半透半反镜的挡板的中心；

S106、将凸透镜装在套件内，盖上凸透镜的挡板；

调节凸透镜的伸缩杆，使光点照在凸透镜的挡板的中心；

S107、将凹透镜装在套件内，盖上凹透镜的挡板；

调节凹透镜的伸缩杆，使光点照在凹透镜的挡板的中心；

S108、翻开凹透镜的挡板；

用中心调节法，调节套件的调节螺丝，使光圈的中心落在凸透镜的挡板中心；

S109、移动凸透镜的伸缩杆，使凸透镜的伸缩杆与凹透镜的伸缩杆的距离为L；

其作用是将小束的平行光I扩大为大束的平行光I₀。同时又可将大束的干涉信号I’聚光成小束的干涉信号I₀’；

其中：L＝f₂-f₁L为凸透镜与凹透镜的距离、f₂为凸透镜焦距、f₁为凹透镜焦距；

S110、翻开凸透镜的挡板；

用中心调节法，调节套件的调节螺丝，使光圈的中心落在半透半反镜的挡板中心；

S111、翻开半透半反镜的挡板；

用中心调节法，调节套件的调节螺丝，使光圈的中心落在全反镜的挡板中心；

S112、翻开全反镜的挡板，再次调节套件的调节螺丝，使其与全反镜完全平行；

其平行调节方法如下：

S112a、干涉信号I₀’经干涉光纤、光纤耦合器，分出图像信号I₀”；

S112b、图像信号I₀”经图像光纤、扩束镜扩散照在观察屏上；

S113c、先调节两腰角调节螺丝，使观察屏上倾斜的干涉条纹变成垂直；

S114d、再调节顶角调节螺丝，使干涉条纹变粗最后消失变全明或全暗；

步骤S2的具体过程为：

S201、当按下按钮开关按键，由单片机控制与其相连的光源发射光束，通过发射光纤、光纤耦合器和干涉光纤照射出来；

此时可方便进行光路调节；

S202、干涉光信号经过干涉光纤、光纤耦合器、分出干涉光信号

S203、干涉光信号经信号光纤和感光器，将信号传输到与感光器相连接的单片机；

S204、当按下按钮测量按键，单片机内部程序进行信号处理，此时明暗变化次数清零，再有由暗淡变明亮再变暗淡时其数加一，并在显示屏显示明暗变化的次数；

其中，干涉光束的走向过程如下：

Ⅰ、干涉光纤将小束平行光源I射出，经凹透镜扩散成散射光照到凸透镜上；

Ⅱ、凸透镜将散射光转成大束的平行光I₀垂直照向半透半反镜；

Ⅲ、I₀经半透半反镜，通过其镜在其底面分成两束光：I₁垂直反射回来、I₂垂直透照向全反镜1₀；

Ⅳ、I₂经全反镜的表面，垂直反射回来；

Ⅴ、I₁与I₂经过玻璃的厚度相同，I₁与I₂存在着光层差△d形成干涉光I’；返照回凸透镜；

Ⅵ、I’经凸透镜聚光后，再经凹透镜变成小束干涉光I₀’，返照回干涉光纤；

Ⅶ、在移动全反镜时，由于半透半反镜与全反镜完全平行，因此

当光层差Δd(K＝1,2,3…)时，其中λ为光源波长，其干涉信号为明亮；

当光层差Δd＝Kλ(K＝1,2,3…)时，其中λ为光源波长，其干涉信号为暗淡；

在步骤S3中，测量时细调手轮只准许向一个方向旋转，不可反转，读数读取主尺mm的整数位，加上粗手轮mm小数点后两位的整数，再加细调手轮mm小数后四位再估读一位的数值。

与现有技术相比，有益效果是：

(1)引入光纤使得其设备的结构变得简单。省去了精密平行不易修复的厚度完全相同的平行板(分光板和补偿板)。

(2)引入光纤使得所有光学元件都在一条直线上，可以更方便的依次进行精准调节光路。

(3)由于引入挡板，使得调节时在挡板上的反射大大减少了，对操作者的眼睛伤害大大减小。

(4)由于引入了带刻度标线垂直线和水平线，并且交点上在档板的中心点，使得其调节有依据(无需人为估计居中)，调节更快速和精准。

(5)引入的凸透镜和凹透镜把小光束扩成大光束，再将反射回来的信号由大光束聚光成小光束返回细小的光纤面。改善了实验条件，能在明亮的环境下进行实验。读数和操作都非常方便。

(6)引入的感光器和单片机使得其实验变得智能化，避免了眼睛的疲劳和人为的错误，提高了实验的精准。

附图说明

图1是传统迈克尔逊干涉仪光路图；

图2是本发明装置的整体结构示意图；

图3是本发明中在一个实施例中的挡板示意图；

图4是本发明中在一个实施例中平行光由小变大光路图；

图5是本发明中在一个实施例中观察屏光路图；

图6是本发明中在一个实施例中干涉光路图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图2所示，本发明所采用的技术方案为：一种光纤智能迈克尔逊干涉仪的装置，如图2所示，包括光学调节系统、用于发射信号光束和干涉光束的光信号系统和读数调节系统；上述的三个系统均安装在导轨支架18上。

其中，光学调节系统包括依次设置的观察屏38、扩束镜37、凹透镜7、凸透镜8、半透半反镜9和全反镜10，凹透镜7、凸透镜8、半透半反镜9和全反镜10上均设有挡板24-27；光信号系统设于扩束镜37与凹透镜7之间；读数调节系统与全反镜10连接。如图3所示，挡板24-27上设有带有刻度的垂直线38A和水平线37A，各挡板24-27盖上挡住光学元件时，垂直线38A和水平线37A应与套件19-23的标线36A对齐

光信号系统包括光源1、感光器2、信号光纤3、发射光纤4、光纤耦合器5、显示屏33、单片机34、干涉光纤6和图像光纤36；

光源1与发射光纤4连接，感光器2与信号光纤3连接，发射光纤4、信号光纤3和图像光纤36分别与光纤耦合器5靠近扩束镜37一端连接，光源1和感光器2分别与单片机34电连接，单片机34与显示屏33电连接，干涉光纤6与光纤耦合器5靠近凹透镜7一端连接。

凹透镜7、凸透镜8、半透半反镜9、全反镜10和干涉光纤6通过套件19-23固定，伸缩杆11-15与套件19-23底部连接，伸缩杆11-15设置在导轨支架18上，支撑起凹透镜7、凸透镜8、半透半反镜9、全反镜10和干涉光纤6。

套件19-23包括固定座、移动座、调节弹簧16和调节螺丝17，调节螺丝17贯穿固定座和调节弹簧16，调节螺丝17尾部螺纹与移动座螺纹连接，套件19-23上设有标线36A。扭动调节螺丝17，固定座不动，调节螺丝17尾部的螺纹带动移动座运动，这样就能实现调节凹透镜7、凸透镜8、半透半反镜9、全反镜10和干涉光纤6的位置，使光束达到试验所需位置。凹透镜7、凸透镜8、半透半反镜9、全反镜10和干涉光纤6均通过三个套件19-23固定，套件19-23呈等腰三角形设置，两个设于底角，一个设于顶角。

读数调节系统包括伸缩螺杆28、主尺29、基座、粗调手轮30和细调手轮31，伸缩螺杆28依次贯穿粗调手轮30、细调手轮31和基座，所述全反镜10下的伸缩杆11-1511-15与伸缩螺杆28连接，主尺29设于基座上。

本装置的使用方法为：

S1：调整光路调节系统，使干涉光束的光点均落在挡板24-27的中心点上；

S2：启动光信号系统；

S3：调整读数调节系统，读取试验数值。

其中，步骤S1的具体过程为：

S101、将全反镜10装在对应套件23内，盖上全反镜10的挡板27；

S102、调节干涉光纤6的伸缩杆和全反镜10的伸缩杆15，使干涉光纤6中心和全反镜10的中心与导轨支架18的面等高；

S103、调节干涉光纤6的套件19，使光点落在全反镜10的挡板27的中心点上；

其调节方法即中心调节法如下：

S103a、先调节两底角的调节螺丝17，使光点落在全反镜10的挡板27的中心垂直线38A上；

S103b、再调顶角调节螺丝17，使光点落在全反镜10的挡板27的中心点上；

S104、翻开全反镜10的挡板27，用中心调节法，调节套件23，使反射回来的光点照到干涉光纤6的中心，再盖上全反镜10的挡板27；

S105、将半透半反镜9装在套件22内，盖上半透半反镜9的挡板26；

调节半透半反镜9的伸缩杆14，使光点照在半透半反镜9的挡板26的中心；

S106、将凸透镜8装在套件21内，盖上凸透镜8的挡板25；

调节凸透镜8的伸缩杆13，使光点照在凸透镜8的挡板25的中心；

S107、将凹透镜7装在套件20内，盖上凹透镜7的挡板24；

调节凹透镜7的伸缩杆12，使光点照在凹透镜7的挡板24的中心；

S108、翻开凹透镜7的挡板24；

用中心调节法，调节套件20的调节螺丝17，使光圈的中心落在凸透镜8的挡板25中心；

S109、移动凸透镜8的伸缩杆13，使凸透镜8的伸缩杆13与凹透镜7的伸缩杆12的距离为L；

如图4所示，其作用是将小束的平行光I扩大为大束的平行光I₀，同时又可将大束的干涉信号I’聚光成小束的干涉信号I₀’；

其中：L＝f₂-f₁L为凸透镜8与凹透镜7的距离、f₂为凸透镜8焦距、f₁为凹透镜7焦距；

S110、翻开凸透镜8的挡板25；

用中心调节法，调节套件21的调节螺丝17，使光圈的中心落在半透半反镜9的挡板26中心；

S111、翻开半透半反镜9的挡板26；

用中心调节法，调节套件22的调节螺丝17，使光圈的中心落在全反镜10的挡板27中心；

S112、翻开全反镜10的挡板27，再次调节套件22的调节螺丝17，使其与全反镜10完全平行；

其平行调节方法如下：

S112a、干涉信号I₀’经干涉光纤6、光纤耦合器5，分出图像信号I₀”；

S112b、如图5所示，图像信号I₀”经图像光纤36、扩束镜37扩散照在观察屏38上；

S113c、先调节两腰角调节螺丝1719，使观察屏3838上倾斜的干涉条纹变成垂直；

S114d、再调节顶角调节螺丝17，使干涉条纹变粗最后消失变全明或全暗；

步骤S2的具体过程为：

S201、当按下按钮35开关按键，由单片机34控制与其相连的光源1发射光束，通过发射光纤4、光纤耦合器5和干涉光纤6照射出来；

此时可方便进行光路调节；

S202、干涉光信号经过干涉光纤6、光纤耦合器5、分出干涉光信号

S203、干涉光信号经信号光纤3和感光器2，将信号传输到与感光器2相连接的单片机34；

S204、当按下按钮35测量按键，单片机34内部程序进行信号处理，此时明暗变化次数清零，再有由暗淡变明亮再变暗淡时其数加一，并在显示屏33显示明暗变化的次数；

其作用：使操作方便智能化(自动处理明暗变化次数)，避免眼睛的疲劳和人为的出错。

其中，干涉光束的走向过程如图6所示：

Ⅰ、干涉光纤6将小束平行光源1I射出，经凹透镜7扩散成散射光照到凸透镜8上；

Ⅱ、凸透镜8将散射光转成大束的平行光I₀垂直照向半透半反镜9；

Ⅲ、I₀经半透半反镜9，通过其镜在其底面分成两束光：I₁垂直反射回来、I₂垂直透照向全反镜101₀；

Ⅳ、I₂经全反镜10的表面，垂直反射回来；

Ⅴ、I₁与I₂经过玻璃的厚度相同，I₁与I₂存在着光层差△d形成干涉光I’；返照回凸透镜8；

Ⅵ、I’经凸透镜8聚光后，再经凹透镜7变成小束干涉光I₀’，返照回干涉光纤6；

Ⅶ、在移动全反镜10时，由于半透半反镜9与全反镜10完全平行，因此

当光层差Δd(K＝1,2,3…)时，其中λ为光源1波长，其干涉信号为明亮；

当光层差Δd＝Kλ(K＝1,2,3…)时，其中λ为光源1波长，其干涉信号为暗淡；

在步骤S3中，测量时细调手轮只准许向一个方向旋转，不可反转，反转后会造成自动读数错误，同时也会产生空程差。读数读取主尺mm的整数位，加上粗手轮mm小数点后两位的整数，再加细调手轮mm小数后四位再估读一位的数值。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。