偏振光实验系统的改进

王佩祥,王 坤,韩立波,喻秋山

(长江大学 物理与光电工程学院，湖北 荆州 434023)



偏振光实验系统的改进

王佩祥,王 坤,韩立波,喻秋山

(长江大学 物理与光电工程学院，湖北 荆州 434023)

针对SGP-2A型偏振光实验系统在使用过程中存在精度低、实验效率低下和表现力弱等不足，对以微处理器STC12C5A60S2为核心的系统进行了改进. 改进后的系统采用模块化设计，可根据交互指令实现数据的采集、处理和显示自动化，提高了系统的测量精度、实验效率、数据表现力和便携性，满足了实验教学和课堂演示需求.

偏振光；微处理器；光电检测；角位移

1 引 言

光的偏振是指光的振动方向与光的传播方向的不对称性. 光波是一种电磁波，光波的传播方向就是电磁波的传播方向. 光波中的电矢量和磁矢量都与传播方向垂直，它具有偏振性. 通过对光的偏振现象研究可验证光的波动性，也有助于加深对光的传播规律和光与物质相互作用规律的认识. 因而，改进和提高偏振光实验系统的演示效果对更好地了解相关偏振光知识具有积极的意义[1].

2 SGP-2A型偏振光实验仪简介

正是由于对偏振光研究具有重要的现实意义，因而在很多高校的大学物理实验课中都开设有相关内容，其中由天津港东科技发展有限公司生产的SGP-2A型偏振光实验系统(如图1所示)是应用最为广泛的实验系统之一.

图1 SGP-2A型偏振光实验系统

在SGP-2A型偏振光实验系统中激光光源产生的自然光经过起偏器P1后将转变为偏振光(如图2～3所示)，偏振光可由检偏器P2来检验——绕光轴旋转检偏器P2将会观察到出射光光强发生周期性变化，这就是著名的马吕斯实验. 若在P1和P2之间插入玻片或黑玻璃堆等光学介质时，从其透射光或反射光中还可以看到更多的偏振现象[1-3]. 这些都丰富了偏振实验内容.

图2 SGP-2A型偏振光实验系统形成偏振光路

图3 偏振原理图

然而，在使用这套偏振光实验系统的过程中也发现其存在以下不足[1-4]：

1)系统的抗干扰性差，数据表现力弱. 光电传感器检测到的光强易受环境光源的方向性、激光光源的稳定性及光电传感器非线性响应等的影响，数据重复性差，实验精度低(实验多次重复测量的误差可达10%～15%)，严重影响到实验数据的表现力.

2)实验效率低下，演示效果不明显. 实验过程中需要测量和记录大量实验数据，学生消耗大量精力在数据的测量、计算和处理上，而对实验过程和数据表现出的本质认识就摆到了从属地位，将不利于学生对实验内容的全面掌握.

3)实验的拓展性差. 该实验系统仅能演示几个基本实验现象，缺少实验内容的拓展，不利于培养学生的学习兴趣.

4)仪器较为笨重，全套器材在20 kg以上，便携性差.

针对以上系统的不足，提出了基于STC12C5A60S2微处理器的偏振光实验自动测量系统的改进设计方案[5].

3 偏振光实验系统的改进设计与实现

偏振光实验测量系统的改进在设计上采用模块化的硬件设计思路，通过微处理器丰富的接口实现系统的可扩展性；利用微处理器强大的数据处理能力，实现了数据测量、处理和显示的自动化，提高实验的效率，增强数据的表现力；在元器件布局上采用紧凑的集约设计理念，充分提高仪器的美观性和便携性.

3.1 整体设计思路

系统以STC12C5A60S2微处理器为核心，通过外接光电传感器模块检测光信号通过光学器件后的光强和偏振状态变化；通过输入/输出模块对微处理器进行指令交互控制，特别是对步进电机的控制和对实验测量过程中数据的采集、处理和图形化的数值显示；通过改进电源和光电传感器的设计，提高系统的抗干扰性；采用集成电路和模块化的设计方案，减小系统的体积和重量，提高系统的便携性. 整体设计框图如图4所示.

图4 偏振光实验自动测量系统整体设计框图

3.2 系统硬件电路的设计与实现

3.2.1 光电检测部分的设计

实验对光信号的检测要求有高的灵敏度和线性响应特性，故系统有高的抗干扰性能是关键. 为此，从提高电源的稳定性和线性放大增益进行设计. 光源由采用稳压直流电源供电的固体激光器产生，这将节省空间和减轻重量，也更容易设计出光源功率输出更稳定的电源. 光电接收传感器采用加有预偏置电压的光敏三极管放大电路，使光敏三极管始终工作于线性放大区. 其后级放大电路采用双运算放大器LM358芯片作前置放大器[6]，可满足信号在高放大倍数情况下仍有良好的线性响应. LM358是内部包括有2个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，对电源的要求低，可工作于单电源和双电源，且在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关. 基于以上设计，可最大限度提高光电检测信号的质量.

3.2.2 偏振片的角位移测量设计

为实现测量系统中光学器件角位移的自动化测量，图2中偏振片P2保持不动，HY42DJ48型步进电机驱动偏振片P1绕轴作相对转动[7]. 其测量原理如下：步进电机是可将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元部件. 在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到1个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行. 在计数初始化后，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的.

3.2.3 开关稳压电源部分的应用设计

为提高激光光源输出的稳定性和步进电机的大电流驱动需要，同时考虑到仪器便携性和电源转换效率，综合比较铁芯变压器电源、开关稳压电源和混合三端集成稳压电源等多种设计方案[8]，决定采用LM2596芯片为核心的多电压输出开关稳压电源设计方案. 该方案相比于其他方案具有明显的优势：输出电流大，可达到3 A以上的稳定输出；稳定性好，具有良好的线性响应和自动负载调节能力；转化效率高，额定工作条件下转化效率可达85%以上.

3.2.4 交互控制界面的设计

系统控制指令由5个物理按键输入，可快捷地完成各种控制指令的输入. 信息显示由5 inch(1 inch=0.025 4 m)TFT彩色液晶屏[9]实现，其分辨率为800×480，配合5个按键可完美实现系统信息交互的需求.

3.2.5 MCU控制部分与总体设计

MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)作为系统的核心部件，采用了台湾宏晶科技公司生产的STC12C5A60S2微处理器芯片[5]. 该芯片指令代码完全兼容传统8051，工作频率在0～35 MHz(相当于传统8051单片机运算速度的8～12倍)可变. 内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，以及最大62 k的应用程序空间和1 280 Byte的RAM，是一种高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，可完全满足本设计的应用需求.

作为系统的驱动程序采用C语言模块化设计，通过系统中断命令可调用各模块子程序，快速实现功能模块的增删，从而使系统开发有好的可扩展性. 系统的总体电路设计图如图5所示.

图5 偏振光实验自动测量系统总体电路图

3.3 外观和内部设计的改进与实现

SGP-2A型偏振光实验系统的原型中，各光学器件是依次安装在钢导轨上，且曝露在自然光环境中. 此设计方案一方面降低了仪器的便携性，另一方面也降低了对背景光的抗干扰性. 改进的系统的各元器件均采用紧凑设计，并放置于不透光的铝板箱中，如图6(a)所示. 在箱的正面设有TFT液晶面板观测窗和控制按钮，可方便地进行实验数据和控制指令的交互. 将仪器背板设置成活页观测窗口，打开后可观察箱内仪器各部分的组成及光的传播路径，有助于学生对偏振光现象的认识和理解，如图6(b)所示.

(a)外观

(b)内部结构图6 偏振光实验自动测量系统

4 系统测试与结论

将系统上电，仪器自检，程序初始化后，在显示屏上将出现各测试项目的系统提示[如图6(a)所示]，通过按键操作可进行马吕斯定律验证、布儒斯特角测定等基本偏振光现象研究的内容，也可以在光路中加入1/4玻片、半玻片、方解石晶体等光学器件或蔗糖溶液[安放在图6(b)中的圆形光学平台上]进行圆偏振光、双折射和旋光现象等趣味性实验的演示.

改进后的仪器，实际使用效果与原型相比在以下几个方面性能有显著提高：

1)实验数据更加稳定、可靠，实验效率更高，对物理现象本质的表现力更强；

2)系统对外界的抗干扰性更强，对外界光源和电压波动等影响有强的抗干扰能力；

3)仪器充分实现了小型化和轻型化，有好的便携性，能够更好地适用于实验教学和课堂辅助演示；

4)仪器在实验内容上引入了多种趣味实验，丰富了偏振光的课堂教学演示内容，对提高学生的学习兴趣和认识光的本质有较大帮助.

[1] 杨长铭,王阳恩,田永红,等. 大学物理实验[M]. 武汉：武汉大学出版社,2012:245-253.

[2] 喻秋山. 用偏振光测定折射率的实验方法改进[J].科技致富向导,2011(32)：140,280.

[3] 刘玉贤. 椭圆偏振光旋转特性实验研究[J]. 长春工业大学学报:自然科学版,2009,30(2):237-240.

[4] 周朕,卢佃清,史林兴. 硅光电池特性研究[J]. 实验室研究与探索,2011,30(11)：36-39.

[5] 宋风娟,付侃，薛雅丽. STC12C5A60S2单片机高速A/D转换方法[J]. 煤矿机械，2010,31(6):219-221.

[6] 翁海勇,俞加明,叶大鹏. 基于LM358的单片机掉电保护系统设计与实现[J]. 电子世界，2013(4)：38.

[7] 黄勇,廖宇,高林,等.基于单片机的步进电机运动控制系统设计[J]. 电子测量技术，2008,31(5):150-154.

[8] 潘传勇,丁国臣,陈世夏. 基于LM2596的不间断直流电源设计[J]. 现代电子技术，2013,36(17):107-109.

[9] 许思达. 基于51单片机的TFT液晶显示设计[J]. 电子元器件应用，2010,12(10):38-40，44.

[责任编辑：尹冬梅]

Improvement of the polarization optics experiment system

WANG Pei-xiang, WANG Kun, HAN Li-bo, YU Qiu-shan

(School of Physics and Optoelectronic Engineering, Yangtze University,Jingzhou 434023, China)

As the SGP-2A-type polarization optics experiment system has many disadvantages, such as low precision, low efficiency and weak performance, the paper provided an improved system based on the microprocessor of STC12C5A60S2. The improved system adopted modular design, realized automated data collection, processing and display. It improved the measurement accuracy, test efficiency, data expressiveness and portability to better meet the needs of teaching in the experiment and presentations in class.

polarization optics; microprocessor; photoelectric detection; angular displacement

2015-04-07；修改日期：2015-05-06

长江大学大学生创新创业训练计划项目(No.104892014305);长江大学教学研究项目(No.JY2014026)

王佩祥(1992-)，男，湖北黄冈人，长江大学物理与光电工程学院2011级本科生.

喻秋山(1977-)，男，湖南宁乡人，长江大学物理与光电工程学院讲师级，硕士，研究方向为光电材料与器件应用.

O436

A

1005-4642(2015)06-0019-04