大学物理实验激光衍射教学仪器的改进*

赵培刚 李冬萍 姜永清

(中国海洋大学物理实验教学中心 山东 青岛 266000)

大学物理光的衍射实验以激光为光源入射到光栅等器件上，借助一维调节架移动光探头，沿衍射图样展开方向在不同位置测量光强，从而得到衍射光强分布谱线(图1).实验优点是学生参与度高；缺点是人工移动光探头，每0.5 mm逐点记录光强值，测量衍射光强分布长达10 cm，数据多时间长；再加上光强波动以及背景噪声干扰等，造成了位置和光强的读数误差较大.

图1 激光衍射实验仪一维调节架和光探头

为解决衍射光强分布测量实验时间长、误差大的问题，利用单片机控制光探头替代人工移动，实时采集存储和处理数据[1]，能高效完成衍射光强分布的精密测量.

1 衍射仪器改进

1.1 基本构想

(1)用单片机控制步进电机带动探头精准移动，可减小人工移动探头的位置误差；

(2)由单片机快速完成多次数据测量并取平均值，能精确测量同一位置衍射光强[2].

1.2 硬件构成

光衍射实验仪器结构如图2所示，主要包括单片机MCU、显示器、按键、步进电机、光探头、放大电路、模数转换电路.

图2 光衍射仪器系统框架示意图

光衍射仪器硬件构成：

(1)单片机采用mega16L，自带10位ADC，结构简单运行稳定[3]；

(2)液晶显示器采用OCMJ2X8C，能及时掌握仪器运行信息；

(3)两相步进电机带动光探头移动的丝杠螺距为1 mm，使用32细分的驱动器驱动，使光探头移动的最小间距为0.156 25 μm(1 mm/6 400步)，通过设置脉冲个数，可改变光探头移动间距(如128脉冲* 0.156 25 μm=0.02 mm)，如图3所示；

图3 步进电机设计图

(4)3个运算放大器构成的放大电路，具有放大倍数可调、精密度高、输入电阻大及共模抑制比较高等优点，考虑到高频信号的干扰，在放大电路输入端加入低通有源滤波电路，如图4所示[4].

图4 放大电路原理图

1.3 软件控制

软件控制包括4个程序模块.

(1)液晶屏：显示测量数据；

(2)模数转换模块：负责将放大电路输出的模拟信号转换成数字信号；

(3)步进电机控制模块：主要控制步进电机按设定参数精确移动；

(4)按键：设置参数.C语言编写单片机控制程序，流程如图5所示.

图5 程序流程图

1.4 仪器组成

单片机与光探头相结合的光强记录仪：单点测量次数1～100可选；光探头步进间距0.02～1 mm可选；仪器实物组成如图6所示.

图6 改进激光衍射实验仪器

通过单片机处理数据信号，减少数据扰动干扰，提高光强测量精度；使用单片机控制探头移动，减少人工操作误差[5～12].

2 实验测量结果对比

选用氦氖激光器作为光源；满足远场条件L=1 m；设定测量参数；逐点记录光强，利用单片机按比例放大相对光强值(零级光谱除外)，不会影响暗纹或明纹的水平位置，获得的光强分布图直观且易于处理数据.

2.1 光栅衍射实验

所用的光栅的光栅常数为20线，单片机控制和手动移动光探头扫描范围均取85 mm；测量间隔均为0.5 mm.绘制光栅衍射图线如图7和图8所示.

图7 单片机控制探头的光栅衍射光强分布图线

图8 手动移动探头的光栅衍射光强分布图线

2.2 单缝衍射实验

单缝宽0.1 mm,单片机控制和手动移动光探头扫描范围均取6 cm；测量间隔均为0.5 mm.绘制单缝光强分布图线如图9和图10所示.

图9 单片机控制探头的单缝衍射光强分布图线

图10 手动移动探头的单缝衍射光强分布图线

2.3 实验结果对比

实验结果如表1所示.

表1 衍射实验结果

3 结论

设计的单片机控制光探头移动，是利用步进电机步进精度高、可快速启停带动光探头精确移动，有效减小人工转动手轮移动光探头造成的读数误差，还能节省大量的手动调节时间；利用高精度AD 进行多次光强采集检测, 可减少光强扰动带来的光强测量误差.波长测量相对误差小，实验操作自动快速省时，有效提高了实验测量精度和实验效率.