光源波长的测量是高等学校理工科专业学生大学物理实验教学中的一个基本内容，目前单色光源波长测量方法很多是利用光的干涉性进行测量，主要有双缝干涉法测量激光波长、迈克耳孙干涉仪测量连续激光波长、牛顿环测量激光波长以及光学劈尖干涉测量激光波长等方法。这些方式存在的缺陷是检测设备体积大、重量大，调节时间长和测量效率低。本文设计制作一种基于滤波片光谱吸收特性的单色光波长全自动测量装置，具有操作简便、检测快捷、结果准确、成本低廉、结构轻便等优点。

带通滤波片按照光谱特性大致分为窄带滤波片和宽带滤波片。在宽带滤波片中，有一种滤波片在通带内光强衰减幅度对波长的区分度较好，具备较宽的单调上升或下降区间。在单调区间内，可以根据衰减幅度确定出光波的对应波长。基于滤波片吸收特性的全自动光波长测量装置，就是根据带通滤波片的波长—透射率特性来测量光波波长。

从带通滤波片的波长—透射率特性曲线(见图1)可以看出，在整个通带内根据透射率可分为单调上升区、过峰区和单调下降区。除顶点外，对于一块滤波片同一个透射率往往对应有两个或多个波长值，这样就无法根据单个滤波片的透射率准确确定波长。

图1波长—透射率关系曲线(带通滤波片)

为此可以选择特性峰值不同的两块滤波片，根据两块滤波片波长—透射率特性曲线，将波长分为不同区域，使得在一定波长区域内，某一滤波片的透射率随波长单调变化，则将这一滤波片作为此波长区域的有效测量波片。通过合理选择滤波片组合，最终实现大范围的单色光波波长的分区域互补测量。

通过对市面上多个不同型号带通滤波片光谱特性的测量，选取了两块中心峰值波长分别为nm和nm的带通滤波片。两块滤波片的波长—透射率特性曲线如图2所示。通过对两块滤波片波长—透射率特性曲线的特征及波长叠加区域的分析，将波长分成了A、B、C和D4个区域。如图可见，在每个区域内，都有一块滤波片的波长—透射率具有很好的单调性。因此选择单调性最好的一块滤波片作为这一波长范围的有效测量波片。例如A区选择nm波片作为有效测量波片；B区选择nm波片作为有效测量波片(用黑色圆点标出对应的有效测量曲线)。利用Origin对有效测量曲线进行函数拟合，给出波长(透射率)函数关系，如下：

图2波长—透射率关系曲线(两块滤波片)

A区测量曲线的拟合函数：

B区测量曲线的拟合函数：

C区测量曲线的拟合函数：

D区测量曲线的拟合函数：

其中，λ为波长；Q为透射率。分区后的有效测量曲线具有很高的单调性，采用5阶次的多项式拟合时，相关系数可达到0.以上，保证了此测量方法的准确性。

实验中，测量通过滤波片的光强，计算滤波片透射率，选择有效的测量曲线拟合函数，则可得到光波波长。这两块滤波片可以实现波长范围为(～)nm的单色光波波长的测量。

根据上述实验基本原理，实验装置的设计流程如图3所示。选择半导体激光器激光作为光源，将激光通过滤波片转盘。滤波片转盘是切换滤波片、完成自动测量的重要部件。转盘上有n个窗孔(n≥3)，其中有直通孔和两个或多个滤波片窗孔。直通窗孔不放置滤波片，实现激光实际功率的测量，其他窗孔放置不同的滤波片，实现激光透过滤波片衰减以后的功率测量。

图3实验装置设计流程

窗孔环绕转盘中心等距均匀分布，转盘在电机带动下转动。待测激光垂直穿过窗孔、射向固定在转盘后方位置上的光电传感器。随着转盘的转动，光电传感器上得到一系列光脉冲信号。为了正确识别检测窗孔位置与对应的光脉冲，驱动转盘的电机可以采用步进电机，在微处理器控制下切换窗孔，也可以采用直流减速电机直接驱动转盘，用光电门或霍尔器件从转盘上提取转动同步信号。

光电传感器将光脉冲信号转变为电流信号送入检测电路，检测电路的功能是对光电传感器送来的电流脉冲信号进行放大、峰值捕获和功率测量，同时也接收转盘同步信号或输出步进驱动信号来配合测量。经滤波片测量窗孔测得的功率与直通窗孔测得的功率的比值就是此滤波片的透射率。

根据实际测得两滤波片的透射率Q和Q，再由波长—透射率分区特征(图2)选择分区。选择分区过程如图4所示，流程图中Qab为A、B两区分界处nm波片的透射率，Qcd为C、D两区分界处nm波片的透射率。根据分区后对应区域的波长—透射率拟合函数曲线，输入透射率值得到对应波长。最后通过LCD显示出结果。

图4选择分区过程示意图

图5为装置主体结构图以及实物图。绝缘底板1上通过螺母固定4根圆柱形金属支架立柱3，金属立柱上方盖有绝缘顶板4，信号处理电路板7和液晶显示屏6通过螺栓和螺柱固定在绝缘底板上方。入射的待测激光经导向管2射入，滤波片转盘5以恒定角速度旋转，连续的激光通过滤波片转盘检测窗孔，变成幅度不同的脉冲激光。该脉冲激光被后方的光电传感器接收，转变成幅度不同的脉冲电流送至信号处理电路板7。圆盘上的圆孔每旋转一周使底板上的光电门产生一个脉冲同步信号，此同步信号通过数据线输入信号处理电路板。圆盘转速约为r/min，每秒可以完成10次测量。微处理器根据曲线分区特征，选择拟合表达式求出波长。

图5装置主体结构及实物图

1—绝缘底板；2—导向管；3—金属支架立柱；4—绝缘顶板；5—滤波片转盘；6—液晶显示屏；7—电路板

为了检测此光波波长测量装置的测量准确度，用3种半导体激光器进行了检测。如下表所示，装置测量相对误差均小于1%，装置具有较高的测量准确度。

基于滤波片吸收特性的全自动光波长测量装置具有以下显著优点：

表测量结果

(1)本测量装置操作简单方便，自动化程度高。电机带动转盘或转轮转动，实现直通窗口与不同滤波片测量窗口的自动切换，无需人工干预。

(2)本测量装置采集数据速度快，测量误差小。测量装置中的转盘转速可以达r/min以上，信号处理单元采用高速微处理器，测量速度可达10次/s以上。由光谱仪自动扫描获取滤波片数据，信息量大，数据准确。透射率—波长拟合表达式相关系数高，计算波长精准。

(3)光波长测量结果通过液晶显示屏直观显示。

(4)结构紧凑抗干扰易便携化，可制作成小型光波测量便携设备。另外本文中选择的两块滤波片可以实现波长范围为～nm的单色光波波长的测量。如果更换不同带通滤波片可以实现不同的波长测量范围，或者通过添加第三块、第四块滤波片来拓宽测量范围。

作者简介：高贻钧，华中农业大学副教授，主要从事物理实验技术工作，研究方向为电子技术及单片机技术应用，qxd_abc