林 垚，王興林，王勝斌，劉 慧，王明吉，劉麗群

（東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318）

多功能夫瑯禾費衍射演示儀的研制

林 垚，王興林，王勝斌，劉 慧，王明吉，劉麗群

（東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318）

針對目前國內(nèi)夫瑯禾費衍射演示儀存在的問題，研制了一種“多功能夫瑯禾費衍射演示儀”，實現(xiàn)了26種衍射縫的夫瑯禾費衍射的演示實驗及相應(yīng)的計算機（變參數(shù)）模擬仿真實驗，具有演示與仿真一體化、演示種類多、演示效果明顯，自動快速、使用方便、功能多樣等特點，能夠滿足光學(xué)課程對夫瑯禾費衍射進行演示實驗的要求。

夫瑯和費衍射；演示儀；單片機；仿真模擬

光的干涉和衍射是揭示光的波動性的重要實驗現(xiàn)象，夫瑯禾費衍射又是其重要內(nèi)容之一，在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用十分廣泛［1］。由于目前光學(xué)課程的教學(xué)學(xué)時日趨緊張，加之波動光學(xué)的理論比較抽象、難以理解，因此在課堂教學(xué)中，采用相應(yīng)的演示實驗進行輔助教學(xué)是提高課堂教學(xué)效率和質(zhì)量的重要措施之一。然而，目前市售的夫瑯禾費衍射演示儀普遍存在手動調(diào)整光路、演示效果不佳、衍射屏種類少、功能單一等缺點，不能滿足課堂教學(xué)需要。

為徹底解決上述問題，本項目研制了一臺“多功能夫瑯禾費衍射演示儀”。該儀器以半導(dǎo)體激光器為光源，以O(shè)S-8453衍射縫盤為衍射屏，采用微機、單片機和步進電機聯(lián)合控制的方式，實現(xiàn)多種衍射屏的自動夫瑯禾費衍射演示實驗，同時，在微機上還可以同步給出相應(yīng)衍射屏的Matlab仿真實驗結(jié)果和有關(guān)理論公式［2－4］。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及各部件的功能

本文所研制的“多功能夫瑯禾費衍射演示儀”主要由穩(wěn)壓電源、半導(dǎo)體激光器、狹縫盤、計算機、單片機、步進電機等組成，見圖1。

圖1 儀器構(gòu)成及結(jié)構(gòu)示意圖

半導(dǎo)體激光器作為系統(tǒng)的光源，提供20 m W、650 nm的激光輸出；系統(tǒng)的衍射屏采用Pasco的兩塊OS-8453衍射盤［5］，兩個衍射盤的外觀相同，但狹縫不同，一個為單縫盤，另一個為多縫盤。它們可以為系統(tǒng)提供多種不同形狀、不同參數(shù)的衍射縫，為該儀器能夠完成多種夫瑯禾費衍射實驗提供了可靠保證。OS-8453衍射盤的形狀、結(jié)構(gòu)以及各種縫的具體參數(shù)，見圖2和表1。

圖2 OS-8453衍射盤

計算機作為系統(tǒng)的上位機，主要完成兩部分工作。第一是通過串口和MSC控件向單片機發(fā)送單字節(jié)串行指令，各指令與狹縫對應(yīng)關(guān)系，如表1所示，采用Visual Basic編程。第二是實現(xiàn)衍射圖樣仿真模擬，即根據(jù)相應(yīng)的理論公式，用Matlab在計算機屏幕上繪制出相應(yīng)衍射縫的衍射圖樣和光強分布曲線，并可實現(xiàn)變參數(shù)仿真模擬。

表1 上位機命令與衍射盤上狹縫對應(yīng)關(guān)系

單片機采用89C52，作為下位機，采用C語言編程。主要負責儀器的初始化、判斷當前儀器是否與計算機相連、響應(yīng)來自計算機的串行指令，驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，實現(xiàn)對狹縫盤的精確控制。程序流程見圖3。

圖3 程序流程圖

步進電機采用35BYG48HJ30B，在其轉(zhuǎn)動軸上安裝狹縫盤，在單片機的控制下實現(xiàn)不同方向和角度的轉(zhuǎn)動。

2 系統(tǒng)的工作過程、功能及特點

當需要進行某種衍射縫的夫瑯禾費衍射實驗時，根據(jù)表1，通過計算機給單片機下達相應(yīng)的指令。根據(jù)此指令，單片機即可驅(qū)動步進電機向特定方向旋轉(zhuǎn)某一角度，從而使狹縫盤上的相應(yīng)衍射縫與激光束對準，此時，在接收屏上即可看到該衍射縫的衍射圖樣，見圖4。與此同時，在計算機屏幕上給出該縫夫瑯禾費衍射的衍射圖樣、光強分布曲線及其立體圖、及相應(yīng)的理論公式，見圖5。另外，還可以進行變參數(shù)的仿真模擬。

圖4 單狹縫的夫瑯禾費衍射圖樣

圖5 計算機仿真實驗

該儀器實現(xiàn)了26種衍射縫的夫瑯禾費衍射的演示實驗及相應(yīng)的計算機（變參數(shù)）模擬仿真實驗，具有演示與仿真一體化、演示種類多、演示效果明顯，自動快速、使用方便、功能多樣等特點。

3 結(jié) 論

本文所研制的“多功能夫瑯禾費衍射演示儀”，除了可以實現(xiàn)26種衍射縫的夫瑯禾費衍射的演示實驗外，還可以進行相應(yīng)的計算機（變參數(shù)）模擬仿真實驗，具有演示與仿真一體化、演示種類多、演示效果明顯，自動快速、使用方便、功能多樣等特點，能夠滿足光學(xué)課程對夫瑯禾費衍射進行演示實驗的要求。

［1］ 游璞.光學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］ 孫光東.對夫瑯禾費圓孔衍射場基本特征的討論［J］.遼寧師范大學(xué)學(xué)報，2005（6）：13-16.

［3］ 厲江帆.夫瑯禾費衍射公式的一般形式［J］.大學(xué)物理，2003（11）：54-57.

［4］ 李多.六角孔的夫瑯和費衍射場的實驗演示［J］.物理實驗，2010（6）：61-63.

［5］ http：／／pasco.com／Support／Documents／English／OS／OS-8453／012-10350A

Development of Multi-function Fraunhofer Diffraction Demonstrating Instrument

LIN Yao，WANG Xing-lin，WANG Sheng-bin，LIU Hui，WANG Ming－ji，LIU Li-qun

（Northeast Petroleum University，Heilongjiang Daqing 163318）

Considering the existing problems of the demonstration of Fraunhofer diffraction，we designed and made the multi-functional Fraunhofer diffraction demo instrument which realized the demonstrations of 26 different kinds of diffractions and corresponding computer simulations.The instrument can meet the demand of classroom demonstration about Fraunhofer diffraction with many advantages，such as varied and good demonstrations，automatic and fast computer control.In addition，its integration of demonstration and simulation make it convenient for classroom use.

fraunhofer diffraction；demo instrument；single chip micr-computer；simulation

O436.1

A

1007-2934（2011）06-0049-03

2011-01-25

2009年國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目資助