Thiết kế thiết bị đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế mai ken sơn động

Đề tài: Đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế Mai-ken-sơn
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHÍA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ
THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên

: Trần Đức Hùng

20110296

Lớp

: Kỹ thuật cơ khí 8

K56

Viện

: Cơ khí

I/ ĐỀ TÀI THIẾT KẾ
Thiết kế thiết bị đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế Mai-ken-sơn động
II/ CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU
 Laser: He-Ne 632,8 nm

 Bước sóng đo λmin = 600 ÷ 700 nm
III/ NỘI DUNG THUYẾT MINH VÀ TÍNH TOÁN





Nguyên lí đo bước sóng laser bằng giao thoa kế.
Xây dựng mô hình của giao thoa kế Mai-ken-sơn động.
Thiết kế hệ thống điều chỉnh gương tĩnh.
Viết phần mềm điều chỉnh tự động tạo giao thoa laser.

III/ CÁC BẢN VẼ VÀ ĐỒ THỊ
 Bản vẽ lắp ghép hệ giao thoa laser
IV/ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. Nguyễn Văn Vinh
Th.S.
Doãn Giang
V/ NGÀY GIAO NHIỆM VỤ THIẾT KẾ: 01/03/2016
VI/ NGÀY HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN: 30/05/2016
Hà Nội, ngày 1 tháng 3 năm 2016
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

PGS.TS. Nguyễn Văn Vinh

SVTH:

Trần Đức Hùng - Lớp: Máy chính xác K56

1

Đề tài: Đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế Mai-ken-sơn
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT
Thiết bị đo bước sóng, ảnh sóng bằng giao thoa kế Mi-ken-sơn động là một thiết bị quang cơ
điện tử chính xác. Sinh viên Hùng đã tìm hiểu nguyên lí của phương pháp này và thực hiện
thiết kế cụm giao thoa động của thiết bị.
Các nội dung
Tìm hiểu về các phương pháp đo bước sóng bằng giao thoa kế.
Xây dựng nguyên lí và tính toán thiết kế phần cơ khí và dịch chuyển tịnh tiến của
gương động.
Xây dựng hệ thống điều khiển chuyển động cho gương tĩnh được điều khiển qua
phần mềm và mạch vi điều khiển PIC16F877A.

-

Các nội dung tính toán hợp lí, thuyết minh trình bày sạch đẹp gọn gàng, bản vẽ kết
cấu đúng quy định song chưa đạt tính mĩ thuật công ngiệp. Sinh viên Trần Đức Hùng
đã hoàn thành đồ án với tinh thần chăm chỉ và cố gắng hoàn thành các nội dung được
giao đúng thời gian.
Đánh giá:

Điểm bằng số:

Điểm bằng chữ:

Hà Nội,ngày 5 tháng 6 năm 2016
Giáo viên hương dẫn

PGS.TS. Nguyễn Văn Vinh

SVTH:

Trần Đức Hùng - Lớp: Máy chính xác K56

2


Đề tài: Đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế Mai-ken-sơn
GIÁO VIÊN DUYỆT NHẬN XÉT
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................

....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
SVTH:

Trần Đức Hùng - Lớp: Máy chính xác K56

3


Đề tài: Đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế Mai-ken-sơn
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................

Điểm bằng số:

Điểm bằn chữ:
Hà Nội,ngày

SVTH:

Trần Đức Hùng - Lớp: Máy chính xác K56

tháng

năm 2016

4


Đề tài: Đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế Mai-ken-sơn
MỤC LỤC

Chương 1: Đo bước sóng bằng giao thoa kế ............................................................ 13
1.1

Giao thoa kế Mai-ken-sơn .............................................................................. 13

1.1.1. Sơ đồ nguyên lý giao thoa Mai-ken-sơn ................................................... 13
1.1.2 Sự thay đổi thành phần pha của hệ giao thoa .............................................. 14
1.1.3 Sự thay đổi của vân giao thoa ....................................................................... 15
1.1.4 Xác định tần số dao động của hệ giao thoa .................................................. 18
1.2 Phương pháp xác định bước sóng bằng giao thoa ........................................ 19

1.2.1 Một số phương pháp đo bước sóng bằng giao thoa kế ................................. 19
1.2.2 Sơ đồ nguyên lý đo bươc sóng bằng giao thoa Mai-ken-sơn động. ............ 20
1.2.3 Phương pháp xác định bước sóng của nguồn sáng ....................................... 22
1.3 Các phương pháp tạo tần số dịch chuyển gương động ................................ 23
1.3.1 Bộ tạo dịch chuyển gương động bằng cuộn dây Voice coil ......................... 23
1.3.2 Bộ tạo dịch chuyển cho gương động bằng vật liệu áp điện PZT .................. 24
1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ đo ..................................................................... 27
1.4.1 Ảnh hưởng của nhiễu và ồn ......................................................................... 27
1.4.2

Ảnh hưởng của các chi tiết quang học và hệ thống cơ khí ....................... 28

1.5 Thu nhận và xử lý tín hiệu của hệ giao thoa đo phổ hồng ngoại ................. 31
1.6 Xử lý tín hiệu bằng phép biến đổi Fourie ...................................................... 33
1.6.1 Biến đổi Fourier rời rạc DFT ........................................................................ 33
1.6.2 Biến đổi Fourier nhanh FFT ......................................................................... 35
1.7 Biến đổi tín hiệu phổ hồng ngoại bằng chuyển đổi Fourier ......................... 38
Chương 2: Thiết kế cơ khí – quang hệ giao thoa Mai-ken-sơn động.................... 40
2.1 Thiết kế cơ cấu gá gương tĩnh. ........................................................................ 40
2.1.1 Nguyên lí hoạt động của cơ câu điều chỉnh gương tĩnh ............................... 40
SVTH:

Trần Đức Hùng - Lớp: Máy chính xác K56

5


Đề tài: Đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế Mai-ken-sơn

2.1.2 Giới thiệu về các loại cơ cấu gá gương......................................................... 41

2.1.2a Cơ chế điều chỉnh Kinematic ...................................................................... 41
2.1.2b Cơ cấu điều chỉnh Gimbal .......................................................................... 43
2.1.2c Cơ cấu điều chỉnh Flexure .......................................................................... 44
2.1.3 Các cách điều chỉnh cơ cấu :......................................................................... 45
2.1.3a Sử dụng vít lục giác ..................................................................................... 45
2.1.3b Sử dụng tay nắm ......................................................................................... 46
2.1.3c Cơ cấu điều chỉnh sử dụng động cơ ............................................................ 47
2.1.4 Đặc điểm vật liệu: ......................................................................................... 47
2.1.4 Thiết kế cơ cấu điều chỉnh ............................................................................ 49
2.1.5 Tính toán thiết kế bộ truyền đai ngoài. ......................................................... 51
2.2.Thiết kế hệ thống gương động ........................................................................ 54
2.2.1.Nguyên lí hoạt động ...................................................................................... 54
2.2.2 Chọn sống trượt và vít me............................................................................. 57
2.2.3 Tính toán thiết kế bộ truyền đai ngoài. ......................................................... 64
2.2 Nguồn sáng tham chiếu Laser ............................................................................ 67
2.3 Sensor thu nhận tín hiệu giao thoa Laser. .......................................................... 67
2.4 Bộ chuyển đổi ADC ........................................................................................... 68
2.5 Bộ biến đổi xung và đếm Counter. .................................................................... 68
2.6 Gương phản xạ ................................................................................................... 69
2.7 Bộ tách tia........................................................................................................... 70
Chương 3: Điều khiển điện và phần mềm ............................................................... 71
3.1 Sơ đồ điều khiển ............................................................................................... 71
3.2 Các linh kiện sử dụng ...................................................................................... 71
3.2.1 Vi điều khiển pic 16F877A ........................................................................... 71
3.2.2 Động cơ bước ................................................................................................ 75
SVTH:

Trần Đức Hùng - Lớp: Máy chính xác K56

6

Đề tài: Đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế Mai-ken-sơn

3.2.3 Driver điều khiển TB6560 ............................................................................ 81
3.2.4 Kết nối RS232 ............................................................................................... 83
3.3 Xây dựng phần mềm ........................................................................................ 87
3.3.1 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển CCS .................................................. 87
3.3.2 Phần mềm lập trình MATLAB ..................................................................... 87
3.4 Các thuật toán sử dụng trong phần mềm ...................................................... 89
3.4.1 Thuật toán điều khiển.................................................................................... 89
3.4.2 Thuật toán hiệu chỉnh tự động ...................................................................... 90
3.4.3 Sơ đồ mạch điện ............................................................................................ 91
3.4.4 Giao diện điều khiển ..................................................................................... 92
Chương 4: Thực nghiệm............................................................................................ 93
4.1 Sơ đồ kết nối thu tín hiệu bước sóng ................................................................. 93
4.2 Vận hành hệ thống đo phổ bức xạ hồng ngoại .............................................. 93
4.3 Kết quả thu tín hiệu và xử lý tín hiệu đo dao động....................................... 96

SVTH:

Trần Đức Hùng - Lớp: Máy chính xác K56

7


Đề tài: Đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế Mai-ken-sơn
DANH MỤC HÌNH ẢNH, BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lí giao thoa kế Mai-ken-sơn ................................................... 13
Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý tạo vân sáng khi d = 0 ........................................................ 15
Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lí tạo vân khi d = λ/2 .............................................................. 16
Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý tạo vân sáng khi d = λ ........................................................ 16
Hình 1.5 Ảnh của vân giao thoa................................................................................... 17
Hình 1.6 Mô tả sóng giao động sau khi giao thoa ....................................................... 18
Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý đo phổ hấp thụ .................................................................. 19
Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý đo phổ hồng ngoại từ xa ................................................... 20
Hình 1.9 Sơ đô hệ thống đo bức xạ hồng ngoại bằng giao thoa laser ......................... 21
Hình 1.10 Sơ đồ tạo dao động bằng Voice coil ........................................................... 23
Hình 1.11 Thiết bị tạo dao động dạng voice coil ......................................................... 24
Hình 1.12 Vật liệu áp điện PZT .................................................................................. 25
Hình 1.13 Hình dạng và động cơ kiểu PZT ................................................................. 26
Hình 1.14 Sơ đồ tạo dịch chuyển bằng PZT ................................................................ 27
Hình 1.15 Sơ đồ tự động điều chỉnh ảnh giao thoa ..................................................... 28
Hình 1.16 Sơ đồ thiết kế hệ quang làm giảm các sai số cơ khí ................................... 29
Hình 1.17 Mô tả tín hiệu được lấy mẫu ....................................................................... 30
Hình 1.18 Tín hiệu sau khi lấy mẫu ............................................................................. 31
Hình 1.19 Sơ đồ lấy mẫu tín hiệu đo hồng ngoại ........................................................ 32
Hình 1.20 Mô phỏng tín hiệu không có giao động và kết quả biến đổi FT ................. 36
Hình 1.21 Mô phỏng tín hiệu giao động tuần hoàn và kết quả biến đổi FT ................ 37
Hình 1.22 Mô tả tín hiệu rời rạc không tuần hoàn theo thời gian ............................... 37
Hình 1.23 Mô tả tín hiệu biến đổi FT của tín hiệu không tuần hoàn ........................... 37
Hình 1.24 Sơ đồ thuật toán sử lí tín hiệu bước sóng cần đo ........................................ 39
Hình 2.1 Các thành phần chính trong giao thoa Mai-ken-sơn ..................................... 40
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lí điều chỉnh gương tĩnh ......................................................... 40
Hình 2.3 Cơ chế điều chỉnh Kinematic ........................................................................ 41
Hình 2.4 Sơ đồ định vị mặt gá theo cơ cấu Kinematic ................................................ 43
SVTH:

Trần Đức Hùng - Lớp: Máy chính xác K56

8


Đề tài: Đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế Mai-ken-sơn

Hình 2.5 Cơ cấu Gimbal .............................................................................................. 43
Hình 2.6 Cơ cấu Flexure .............................................................................................. 44
Hình 2.7 Cơ cấu điều chỉnh bằng vít lục giác .............................................................. 45
Hình 2.8 Cơ cấu điều chỉnh sủ dụng tay nắm .............................................................. 46
Hình 2.9 Cơ cấu điều chỉnh sử dụng động cơ .............................................................. 47
Hình 2.10 Nguyên tắc 3 điểm ...................................................................................... 49
Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lí dịch chuyển gương động. ................................................. 54
Hình 2.12 Cấu tạo của bộ phận sống trượt dùng ma sát lăn ........................................ 56
Hình 2.13: Cơ cấu vít me bi ......................................................................................... 56
Hình 2.14 Thông sô kĩ thuật của trục dẫn hướng ........................................................ 58
Hình 2.11 Hệ số phản xạ của gương khi phủ lớp phản xạ bằng Bạc ........................... 70
Hình 2.15 Gương phản xạ dạng phi cầu ...................................................................... 70
Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển cơ cấu gá gương tĩnh......................................................... 71
Hình 3.2 Sơ đồ cấu tạo của vi điều khiển PIC16F877A .............................................. 72
Hình 3.3 Vi điều khiển 16F877A................................................................................. 73
Hình 3.4 Sơ đồ các chân của vi điều khiển 16F877A................................................. 73
Hình 3.5 Một số loại động cơ bước ............................................................................. 76
Hình 3.6 Sơ đồ dây động cơ bước ............................................................................... 77
Hình 3.7 Cấu tạo động cơ bước đơn cực 4 dây............................................................ 77
Hình 3.8 Sơ đồ điều khiển một pha ............................................................................. 78
Hình 3.9 Sơ đồ điều khiển hai pha ............................................................................... 79
Hình 3.10 Sơ đồ điều khiển phối hợp hai pha và một pha .......................................... 80
Hình 3.11 Driver TB6560 ............................................................................................ 81

Bảng 3.1 Bảng điều khiển Driver TB6560 .................................................................. 82
Hình 3.12 Sơ đồ kết chân kết nối của driver TB6560 ................................................. 83
Hình 3.13 Sơ đồ chân của DB9 ................................................................................... 85
Hình3.14 Mạch nguyên lý giao tiếp với máy tính ....................................................... 86
Hình 3.16 Thuật toán điều khiển.................................................................................. 89
Hình 3.17 Thuật toán điều chỉnh tự động .................................................................... 90
Hình 3.18 Sơ đồ mạch điều khiển ................................................................................ 91
Hình 3.19 Giao diện hiệu chỉnh gương tĩnh ................................................................ 92
SVTH:

Trần Đức Hùng - Lớp: Máy chính xác K56

9


Đề tài: Đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế Mai-ken-sơn

Hình 4.1 Sơ đồ kết nối thu tín hiệu bước sóng ............................................................ 93
Hình 4.2 Giao diện chương trình đo ............................................................................ 94
Hình 4.3 Thiết lập địa chỉ IP cho máy tính. ................................................................. 94
Hình 4.4 Đặt tần số dao động của gương..................................................................... 95
Hình 4.5 Nhập số lượng lấy mẫu tín hiệu. ................................................................... 95
Hình 4.6 Giao diện hoạt động của chương trình đo..................................................... 96
Hình 4.7 Phổ biến độ dao động tần số f=40Hz, N=512............................................... 97
Hình 4.8 Phổ tần số sau khi biến đổi FT với tấn số lấy mẫu f=500 Hz ....................... 97
Hình 4.9 Phổ tần số sau khi biến đổi FT với tấn số lấy mẫu f=1000Hz ...................... 98
Hình 4.10 Phổ biến độ dao động tần số f =40Hz, N=1024......................................... 98
Hình 4.11 Phổ tần số sau khi biến đổi FT với tấn số lấy mẫu f=500Hz ...................... 99
Hình 4.12 Phổ tần số sau khi biến đổi FT với tấn số lấy mẫu f=1000Hz .................... 99
Hình 4.13 Phổ biến độ dao động tần số f =40Hz, N=2048........................................ 100

Hình 4.14 Phổ tần số sau khi biến đổi FT với tấn số lấy mẫu f=500Hz .................... 100

SVTH:

Trần Đức Hùng - Lớp: Máy chính xác K56

10


Đề tài: Đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế Mai-ken-sơn
DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Quan hệ hình dạng và thay đổi hình dạng của vật liệu PZT ........................ 25
Bảng 1.2 Các thông số của vật liệu áp điên PZT ......................................................... 26
Bảng 2.1 Thông số vật liệu ......................................................................................... 48
Bảng 2.2 Kích thước của trục dẫn hướng ................................................................... 59
Bảng 2.3 Bảng thông số trục vít me – đai ốc bi ........................................................... 63
Bảng 2.4 Thông số ổ bi ................................................................................................ 64
Bảng 2.5 Thông số nguồn phát laser............................................................................ 67
Bảng 2.6 Thông số của sensor laser ............................................................................. 68
Bảng 2.7 Thông số bộ chuyển đổi ADC ...................................................................... 68
Bảng 2.8 Thông số bộ chuyển đổi xung và đếm Counter............................................ 69
Bảng 3.2 Chức năng các chân chủa RS232 ................................................................. 84

SVTH:

Trần Đức Hùng - Lớp: Máy chính xác K56

11

Đề tài: Đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế Mai-ken-sơn
LỜI MỞ ĐẦU
Giao thoa kế là một trong những thiết bị quan trọng trong kỹ thuật quang phổ. Nhờ có giao
thoa kế mà chúng ta có thể các định được bước sóng ánh sáng, phổ cường độ. Ngoài ra, có thể
xác định được độ phân cực của ánh sáng.
Khi nghiên cứu hiện tượng giao thoa ánh sáng, ta nghiên cứu hiện tượng giao thoa ánh
sáng với nguồn sáng điểm, nguồn sáng rộng, giao thoa của nhiều chùm tia sáng…Hiện tượng
giao thoa ánh sáng có nhiều ứng dụng trong thực tế. Một trong những ứng dụng điển hình là
sự dụng giao thoa kế Milchelson để đo bước sóng laser, ánh sáng, đo chiết suất của bản
mỏng,…
Hiện nay giao thoa kế được ứng dụng nhiều trong việc đo lường các đại lương vật lí có độ
chính xác cao. Vì vậy em chọn đề tài “Đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế
Mai-ken-sơn” cho đồ án tốt nghiệp của mình.

SVTH:

Trần Đức Hùng - Lớp: Máy chính xác K56

12


Đề tài: Đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế Mai-ken-sơn
Chương 1: Đo bước sóng bằng giao thoa kế
1.1 Giao thoa kế Mai-ken-sơn
1.1.1. Sơ đồ nguyên lý giao thoa Mai-ken-sơn

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lí giao thoa kế Mai-ken-sơn
Hệ giao thoa gồm:
1234567-

S
BS
Gt
Gđ
Lt
Lđ
T

:
:
:
:
:
:
:

Nguồn sáng
Bộ tách tia 50/50, đặt nghiêng 450
Gương tĩnh
Gương động
Chiều dài quang lộ từ bộ tách tia đến gương tĩnh
Chiều dài quang lộ từ bộ tách tia đến gương động
Màn thu ảnh giao thoa

Hoạt động của hệ giao thoa.
- Tia sáng từ nguồn sáng S đến bộ tách tia được tách làm hai tia sáng OS1 và OS2. Hai tia
này có cùng bước sóng nhưng biên độ của mỗi tia giảm đi 1/2 so với biên độ sóng ban
đầu.
- Tia OS1 đi thẳng đến gương động Gđ và bị phản xạ lại về bộ tách tia và khúc xạ thành tia

OR1
- Tia OS2 đi đến gương tĩnh Gt và bị phản xạ lại về bộ tách tia và khúc xạ thành tia OR2
- Hai tia phản xạ OR1 và OR2 là 2 tia kết hợp chồng lên nhau gặp nhau và giao thoa quan
sát bằng màn ảnh T
SVTH:

Trần Đức Hùng - Lớp: Máy chính xác K56

13


Đề tài: Đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế Mai-ken-sơn
1.1.2 Sự thay đổi thành phần pha của hệ giao thoa
Điều kiện để sẩy ra hiện tượng giao thoa là luôn tồn tại một hiệu quang lộ giữa gương
tĩnh và gương động bằng số lần bước sóng.
Lt - Lđ = k ( k=0,1,2,3..)

(1.1)

Hiệu pha của hai chùm là 2Lcos  với L là khoảng cách giữa gương tĩnh Gt và gương
động Gđ, gọi  là góc giữa bộ thu và trục quang. Hiệu pha giữa các chùm là

 = 2 ( 2L cos  / )

(1.2)

Việc tạo nên vân giao thoa là bản chất sóng của ánh sáng. Sóng ánh sáng lan truyền theo
trục Z có thể được mô tả bằng công thức
U (z,t) = a exp i ( kz + t +  )

(1.3)

a là biên độ sóng của nguồn sáng, k = 2/
Gọi  đặc trưng cho pha của sóng và thường phụ thuộc vào toạ độ không gian và thời
gian. Có thể coi rằng đối với bức xạ laser đơn sắc và kết hợp cao thì  không đổi .
Cường độ nhận được do sự kết hợp 2 chùm được xác định bằng biểu thức
I = U = U1  U 2
I =
vì

2

(1.4)

a1 exp i (kz +  t -1)+ a2 exp i( kz +t- 2)

U1  U 2

2

= U1

2

+ U2

2

2

+ U1*U2 + U1U2*

Nên I= a12 + a22 + a1a2 e-i (kz+ t -1 ) ei(kz+t -2) + a1a2 ei(kz+t-1)e-i(kz+t-2)
= a12 + a22 + 2a1a2 sin(1-2)
Hay I = a12 + a22 + 2a1a2 sin 

(1.5)

Biểu thức trên là hàm bậc hai, kết quả ảnh giao thoa là sự phân bố cường độ ánh sáng
mà bộ thu nhận có thể ghi nhận. Vân giao thoa tương ứng với cường độ phông sáng không đổi
là a12 + a22 và tín hiệu biến điệu theo qui luật sin.
Nếu a1 = a2 = a thì I = 2a2(1+ sin  )
Ta nhận thấy cường độ bằng không khi  = (2k + 1) 
cực đại khi  = 2k 
SVTH:

Trần Đức Hùng - Lớp: Máy chính xác K56

14


Đề tài: Đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế Mai-ken-sơn
Các điều kiện này tương ứng với việc tạo nên các vân sáng và tối trong ảnh giao thoa.
Các vân giao thoa có dạng tròn, do vị trí hình học của các điểm với hiệu pha cho trước là đối
xứng với tâm nằm trên đường xuất phát từ bộ thu theo hướng pháp tuyến đối với gương.
Khoảng cách giữa các vân giảm tuỳ theo mức độ tăng của khoảng cách bán kính vân .
Khi Gđ dịch chuyển các vân dịch chuyển đối với tâm theo hướng phụ thuộc vào hướng dịch
chuyển của gương. Sự thay đổi khoảng cách gương làm xuất hiện trong tâm một vân giao thoa
mới. Nói cách khác khi khoảng cách Gt và Gđ thay đổi thì cường độ tại tâm thay đổi từ max sang
min sang max. Khi đặt điafram và bộ thu quang điện tại tâm ta sẽ nhận được sự thay đổi cường

độ này.
1.1.3 Sự thay đổi của vân giao thoa
Trong các phương pháp giao thoa thì kết quả của ảnh giao thoa sẽ cho ta biết các tính
chất của nguồn sáng và các điều kiện để tạo nên ảnh. Ảnh giao thoa này có các tính chất quan
trọng trong việc tính toán và xác định các thông số hoạt động của hệ giao thoa; như quan hệ
giữa số vân và bước sóng, hay quang đường dịch chuyển của gương động, các ứng dụng này
được ứng dụng trong các kỹ thuật đo chiều dài hay phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourier.
Để tiến hành đo đếm và thực hiện các ứng dụng ta sẽ khảo sát sự thay đổi của vân gioa
thoa khi ta dịch chuyển gương động như sau:
Tại thời điểm T1 gương động đứng yên ở vị trí trùng pha so với gương tĩnh, ta gọi vị
trí này là vị trí tương ứng với quãng đường dịch chuyển của gương động lad d=0. Lúc này
sóng giao thoa là tổng biên độ sóng giữa gương động và gương tĩnh là biên độ cực đại, ảnh
giao thoa thu được tương ứng là vân sáng.

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý tạo vân sáng khi d = 0
SVTH:

Trần Đức Hùng - Lớp: Máy chính xác K56

15


Đề tài: Đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế Mai-ken-sơn
Tại thời điểm T2 gương động dịch chuyển đi một quãng đường d = /2, lúc này sóng giao
tho là hai sóng ngược pha nhau nên tổng biên độ thu được là triệt tiêu nhau, nên ảnh giao thoa
thu được trên màn ảnh tương ứng là vân tối.

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lí tạo vân khi d = λ/2
Tại thời điểm T3 gương động dịch chuyển đi một quãng đường là d = , lúc này sóng giao
thoa là hai sóng cùng pha nhau nên tông biên độ của hai sóng là cực đại, nên ảnh giao thoa

thu được tương ứng là vân sáng.

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý tạo vân sáng khi d = λ

SVTH:

Trần Đức Hùng - Lớp: Máy chính xác K56

16


Đề tài: Đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế Mai-ken-sơn
Vậy mỗi lần gương động dịch chuyển đi một quãng đường d = /2 thì sự thay đổi của
vân giao thoa thu được sẽ là từ sáng sang tối hoặc từ tối sang sáng. Nếu ta dịch gương động
theo chiều xa dần từ tâm O ra ngoài tương ứng với hiệu quang lộ giữa gương động và gương
tĩnh mang dấu ‘+” thì quan sát trên màn ảnh ta sẽ thu được sự thay đổi của vân sáng từ tâm
lan ra ngoài. Nếu dịch theo chiều ngược lại thì hiệu quang lộ giữa gương động và gương tĩnh
mang dấu ‘-” ta sẽ quan sát trên màn ảnh thấy vân giao thoa thay đổi từ ngoài vào trong.
Để khảo sát quá trình giao thoa và thay đổi của vân giao thoa người ta sử dụng nguồn
sáng Laser bán dẫn hoặc laser khí HeNe với bước sóng =628,3 ta sẽ thu được ảnh giao thoa
có dạng như sau:

Hình 1.5 Ảnh của vân giao thoa
Nếu ta tiếp tục cho gương động dịch chuyển với vận tốc đều, bước dịch chuyển là 
thì ta sẽ thu được tín hiệu là một hàm sin hoặc cosin tương ứng với tần số dao động F, tần số
này hoàn toàn phục thuộc vào vận tốc dịch chuyển của gương động nhanh hay chậm.

SVTH:

Trần Đức Hùng - Lớp: Máy chính xác K56

17


Đề tài: Đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế Mai-ken-sơn

Hình 1.6 Mô tả sóng giao động sau khi giao thoa
Trong khoảng thời gian t ta xác định được số vân m ( số lần thay đổi từ max sang min
hoặc min sang max), ta sẽ xác định được quãng đường dịch chuyển của gương động như sau:
d=m/2

(1.6)

Như vậy qua hệ giao thoa cho ta thấy quan hệ giữa quãng đường dịch chuyển của gương
động và bước sóng.
1.1.4 Xác định tần số dao động của hệ giao thoa
Nếu ta dùng một nguồn sáng đơn sắc như laser với bước sóng đỏ có =628,3nm thì sẽ
thu được ảnh giao thoa rất rõ nét nên việc phát hiện thay đổi từ sáng sang tối ( max sang min)
là rất dễ dàng.
Trong trường hợp ta dịch chuyển gương động với một vận tốc v đều không đổi tương
ứng với thời gian thay đổi giữa các vân giao thoa là bằng nhau do đó sẽ tạo ra một dao động
với chu kỳ không đổi.
Như vậy vân giao thoa thay đổi từ max sang min sang max sẽ đi hết 1 chu kỳ /2 và
dao động với vận tốc là V.
Mặt khác ta có quan hệ d=V*t . Nếu quãng đường dịch chuyển trong một đơn vị thời
gian là /2 thì /2=V*t
Vậy trong một đơn vị thời gian t ta sẽ có một chu kỳ dao động như sau:

SVTH:

Trần Đức Hùng - Lớp: Máy chính xác K56

18


Đề tài: Đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế Mai-ken-sơn
T


2V

Và tần số dao động được xác định.
Fgt 

1 2V

T lr

(1.7)

Trong đó : V là vận tốc dịch chuyển gương động, lr là bước sóng của nguồn sáng
laser
Như vậy tần số của hệ giao thoa phụ thuộc vào vận tốc V dịch chuyển của gương động.
1.2 Phương pháp xác định bước sóng bằng giao thoa
1.2.1 Một số phương pháp đo bước sóng bằng giao thoa kế
Phương pháp đo bước sóng bức xạ hấp thụ biến đổi Fourier: Ở phương pháp này nguồn
sáng hồng ngoại là chủ động, chiếu tia sáng xuyên qua mẫu đo theo nguyên lý sau:

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý đo phổ hấp thụ
Phương pháp này sử dụng nguồn sáng hồng ngoại chủ động phát ra và chiếu qua mẫu

đo. Cơ sở tính toán của phương pháp này xác định hệ số truyền qua T = I/I0 là xác định tỷ số
năng lượng đầu ra I trên năng lượng nguồn I0
Phương pháp đo phổ từ xa: Phương pháp này còn được gọi là phổ hồng ngoại thụ động
biến đổi Fourier. Sơ đồ nguyên lý như sau:

SVTH:

Trần Đức Hùng - Lớp: Máy chính xác K56

19


Đề tài: Đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế Mai-ken-sơn

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý đo phổ hồng ngoại từ xa
Với sơ đồ nguyên lý máy đo phổ từ xa này, nguồn sáng hồng ngoại ngẫu nhiên đi vào
hệ giao thoa và hệ giao thoa này hoạt động như thế nào hiện nay chưa có tài liệu nào trình bày
cụ thể về phương pháp đo của thiết bị này. Vì vậy cần tìm hiểu nguyên lý hoạt động của nó.
1.2.2 Sơ đồ nguyên lý đo bươc sóng bằng giao thoa Mai-ken-sơn động.
Trong nguyên lý đo bước sóng ánh, hầu hết các hãng chỉ đưa ra sơ đồ nguyên lý chung
nhưng không cung cấp đầy đủ thông tin về phương pháp đo cũng như cách xử lý tín hiệu và
tính toán ra thông số đo. Dựa trên sơ đồ nguyên lý chung ta sẽ xây dựng sơ đồ nguyên lý đo
và các phương pháp thu nhận tín hiệu và xử lý thông tin như sau:

SVTH:

Trần Đức Hùng - Lớp: Máy chính xác K56

20

Đề tài: Đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế Mai-ken-sơn

Hình 1.9 Sơ đô hệ thống đo bức xạ hồng ngoại bằng giao thoa laser
123456-

S
BS
Gt
Gđ
LD
LS

:
:
:
:
:
:

Nguồn sáng Laser bước sóng =628,3nm
Bộ tách tia 50/50, đặt nghiêng 450
Gương tĩnh
Gương động
Photo diode, đo tín hiệu laser
Cảm biến ánh sáng

Hoạt động của hệ đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa.
Tia sáng từ nguồn sáng laser qua bộ tách tia tạo thành 2 tia tới gương tĩnh Gt và gượng
động Gđ, sau đó phản xạ và giao thoa cho ta vân giao thoa như đã trình bày ở trên. Hệ giao

thoa này gọi là hệ giao thoa laser. Tín hiệu giao thoa này là các vân sáng thay đổi khi ta dịch
SVTH:

Trần Đức Hùng - Lớp: Máy chính xác K56

21


Đề tài: Đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế Mai-ken-sơn
chuyển gương động. Để nhận biết được các vân giao thoa thay đổi rõ nét người ta cho qua 1
thấu kính phần kỳ, đầu đo laser dạng photo diode để phát hiện sự thay đổi vân này. Đầu đo
này các tác dụng xác định tần số dao động của hệ dao thoa và là tần số lấy mẫu cho xử lý tín
hiệu hồng ngoại. Tín hiệu này thu được dưới dạng điện áp cỡ vài milivolte (mv) ở sạng xoay
chiều, sau đó được khuếch đại và chuyển đổi thành dạng các xung vuông, với mức tín hiệu
tương tích TTL để đưa đến bộ đếm và truyền vào máy tính.
Tia sáng từ nguồn sáng đến cửa sổ, cửa sổ này các tác dụng lọc đi các tia bức xạ khác
nằm ngoài vùng ánh sáng cần đo. Tia sáng tiếp tục đi tiếp vào hệ giao thoa sau đó được hội tụ
lại tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ. Detector được đặt tại đây và thu lại tín hiệu giao thoa,
tín hiệu này là cường độ năng lượng của nguồn sáng đến. Đầu đo này là dạng nhiệt - điện
(Pyroelectric), biến năng lượng nhiệt năng thành điện năng, tín hiệu này có dạng 1 chiều VDC,
sau đó tín hiệu được khuếch đại và chuyển đổi ADC và truyền vào máy tính để xử lý.
Máy tính thu nhận 2 nguồn tín hiệu và tiến hành biến đổi Fourier chuyển đổi từ tín hiệu
mô tả ở miền thời gian sang miền tần số và biến đổi thành phổ của bước sóng.
1.2.3 Phương pháp xác định bước sóng của nguồn sáng
Trong trường hợp hệ đơn chỉ có 1 nguồn sáng đơn sắc thì ta có thể xác định được
bước sóng dựa trên công thức (1.6).
Ta nhận thấy rằng các tia sáng hồng ngoại,tử ngoại và tia sáng nhìn thấy chúng đều có
tính chất chung của qui luật ánh sáng là; truyền thẳng, khúc xạ, phản xạ, giao thoa... Trong hệ
giao thoa này tính chất của tia sáng và tia laser là như nhau, như vậy ta sẽ có một hệ giao thoa
kép với hai nguồn là tia laser và tia sáng đơn sắc.

Ở đây ta xét mối liên hệ giữa hai sóng có bước sóng khác nhau trên cùng một hệ giao
thoa. Ta có thể nhận thấy rằng bước sóng của nguồn laser rất gần với bước sóng của nguốn
sáng đang xét. Với bước sóng laser He-Ne có  = 623,8 m thì bước sóng nguồn sáng là
=600 - 700 nm, như vậy sự khác biệt về bước sóng và bản chất của chúng làm cho hai nguồn
sáng này độc lập với nhau. Mặt khác trong hệ đo này ta sử dụng giao thoa kế Michelson có
đặc điểm rất quan trọng là tất cả các tia tới sau khi qua tấm chia chùm đều phản xạ trên gương
động nên các tia này sẽ giao thoa với cùng một vận tốc V. Do đó ta cũng có thể xác định tần
SVTH:

Trần Đức Hùng - Lớp: Máy chính xác K56

22


Đề tài: Đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế Mai-ken-sơn
số giao thoa của các tia sáng tương tự như tia laser. Mặt khác nguồn sáng là một dải bước
sóng, trong đó có các bước sóng thành phần nên khi giao thoa ta có thể viết dưới dạng tổng
quát sau:
Fi = 2V/ i
Như vậy kết hợp giữa hai nguồn sáng laser và hồng ngoại ta có công thức sau:

i 

Fgt
Fi

.lr

(1.9)

Tuy nhiên trong quá trình giao thoa ta chỉ ghi nhận được 1 tần số duy nhất đó là tần số
giao động của gương trên cơ sở nguồn sáng laser với tần số F gt. Nguồn sáng là đại diện cho
một dải bước sóng nên tần số Fi sẽ được tính bằng cách lấy mẫu và biến đổi tín hiệu dựa trên
bước sóng tham chiếu là nguồn sáng laser và phép biến đổi Fourier.
1.3 Các phương pháp tạo tần số dịch chuyển gương động
1.3.1 Bộ tạo dịch chuyển gương động bằng cuộn dây Voice coil
Để tạo dịch chuyển cho gương động người ta sử dụng một bộ tạo dao động là 1 cuộn
dây âm thanh (voice coil). Khi ta cấp cho hệ này 1 dao động điện với tần số nào đó thì cuôn
dây này sẽ tạo ra dao động và truyền qua màng tạo âm thanh tạo thành dao động điều hòa với
một tần số không đổi. Khi ta thay đổi tân số phát thì có nghĩa là ta thay đổi tần số dao động
của hệ giao thoa, như vậy ta hoàn toàn có thể chủ động kiểm soát được sự dịch chuyển của
gương động. Sơ đồ tạo dao động như sau:

Hình 1.10 Sơ đồ tạo dao động bằng Voice coil
SVTH:

Trần Đức Hùng - Lớp: Máy chính xác K56

23


Đề tài: Đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế Mai-ken-sơn
Như vậy với dao động này ta sẽ dùng nguồn sáng laser để thu lại tín hiệu và đó chính
là tín hiệu lấy mẫu để tiến hành đo và phân tích bước sóng của nguồn sáng.
Trong thực tế hiện nay chủ yếu là sử dụng voice coil có màng âm thanh dạng cao su
hoặc vật liệu đàn hồi, nhưng với một số yêu cầu đặc biệt người ta sử dụng loại voice coil
không có màng âm thanh mà người ta truyền sóng âm bàng cả dao động của môi trường cần
truyền như mặt bàn, bức tường.., điều này làm giảm quá trình giao thoa của sóng âm trong
không gian.

a- Voice coil có màng rung

b- Voice coil không có màng rung

Hình 1.11 Thiết bị tạo dao động dạng voice coil
1.3.2 Bộ tạo dịch chuyển cho gương động bằng vật liệu áp điện PZT
Với sự phát triển của kỹ thuật vật liệu mới hiện nay thì người ta sử dụng các công nghệ
hiện đại hơn trong điều khiển này, thay bằng các dao động kiểu cơ học thông dụng như động
cơ hay các chuyển động cơ khí mà thay vào đó người ta sử dụng một loại động cơ là PZT,
động cơ áp điện.
Lợi dụng tính chất đặc biệt của vật liệu này gọi là hiện tượng áp điện. Khi ta cấp vào
nó một dòng điện làm cho các phân tử trong vật chất thay đổi và chuyển hướng làm cho biến
dạng về kích thước theo các phương. Trong trường hợp ta tác dụng một lực vào vật liệu thì
chúng sẽ sinh ra dòng điện.

SVTH:

Trần Đức Hùng - Lớp: Máy chính xác K56

24


Đề tài: Đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế Mai-ken-sơn
Như vậy khi ta cần tạo ra một chuyển động ta sẽ cấp cho vật liệu một điện áp theo yêu
cầu dịch chuyển.

a- Tổ chức của vật liệu
PZT

b- Sinh dòng điện khi tác

dụng lực

c- Biến dạng khi cấp dòng
điện

Hình 1.12 Vật liệu áp điện PZT
Dựa trên nguyên lý như vậy người ta thiết kế ra các kết cấu về thay đổi biến dạng của
vật liệu này tùy theo mục đích sử dụng. Sau đây là một dạng chuyển đổi của vật liệu PZT
như sau:
Bảng 1.1 Quan hệ hình dạng và thay đổi hình dạng của vật liệu PZT
Hình dạng
Hướng phân cực
Tác động khi
Chế độ dao động và
áp điện
dịch chuyển

N  f r .l

Tần số dao động
Điện dung

K T 33 wh
l
l  d33v

Cs 

Dịch chuyển tĩnh
Điện áp

V

g 33 F3l
wh

V

g 31 F1
w

V

g31 F2
h

Theo hình dáng của mẫu vật liệu trên nếu ta cần tạo ra dịch chuyển theo chiều dài thì
sẽ xác định thông số L=d33*V, trong đó d33 gọi là hệ số co giãn của vật liệu. Căn cứ và các
SVTH:

Trần Đức Hùng - Lớp: Máy chính xác K56

25