趙培剛 李冬萍 姜永清

(中國(guó)海洋大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 山東 青島 266000)

大學(xué)物理光的衍射實(shí)驗(yàn)以激光為光源入射到光柵等器件上，借助一維調(diào)節(jié)架移動(dòng)光探頭，沿衍射圖樣展開方向在不同位置測(cè)量光強(qiáng)，從而得到衍射光強(qiáng)分布譜線(圖1).實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)是學(xué)生參與度高；缺點(diǎn)是人工移動(dòng)光探頭，每0.5 mm逐點(diǎn)記錄光強(qiáng)值，測(cè)量衍射光強(qiáng)分布長(zhǎng)達(dá)10 cm，數(shù)據(jù)多時(shí)間長(zhǎng)；再加上光強(qiáng)波動(dòng)以及背景噪聲干擾等，造成了位置和光強(qiáng)的讀數(shù)誤差較大.

圖1 激光衍射實(shí)驗(yàn)儀一維調(diào)節(jié)架和光探頭

為解決衍射光強(qiáng)分布測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、誤差大的問題，利用單片機(jī)控制光探頭替代人工移動(dòng)，實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)[1]，能高效完成衍射光強(qiáng)分布的精密測(cè)量.

1 衍射儀器改進(jìn)

1.1 基本構(gòu)想

(1)用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)探頭精準(zhǔn)移動(dòng)，可減小人工移動(dòng)探頭的位置誤差；

(2)由單片機(jī)快速完成多次數(shù)據(jù)測(cè)量并取平均值，能精確測(cè)量同一位置衍射光強(qiáng)[2].

1.2 硬件構(gòu)成

光衍射實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括單片機(jī)MCU、顯示器、按鍵、步進(jìn)電機(jī)、光探頭、放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路.

圖2 光衍射儀器系統(tǒng)框架示意圖

光衍射儀器硬件構(gòu)成：

(1)單片機(jī)采用mega16L，自帶10位ADC，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單運(yùn)行穩(wěn)定[3]；

(2)液晶顯示器采用OCMJ2X8C，能及時(shí)掌握儀器運(yùn)行信息；

(3)兩相步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)光探頭移動(dòng)的絲杠螺距為1 mm，使用32細(xì)分的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，使光探頭移動(dòng)的最小間距為0.156 25 μm(1 mm/6 400步)，通過設(shè)置脈沖個(gè)數(shù)，可改變光探頭移動(dòng)間距(如128脈沖* 0.156 25 μm=0.02 mm)，如圖3所示；

圖3 步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)圖

(4)3個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的放大電路，具有放大倍數(shù)可調(diào)、精密度高、輸入電阻大及共模抑制比較高等優(yōu)點(diǎn)，考慮到高頻信號(hào)的干擾，在放大電路輸入端加入低通有源濾波電路，如圖4所示[4].

圖4 放大電路原理圖

1.3 軟件控制

軟件控制包括4個(gè)程序模塊.

(1)液晶屏：顯示測(cè)量數(shù)據(jù)；

(2)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：負(fù)責(zé)將放大電路輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；

(3)步進(jìn)電機(jī)控制模塊：主要控制步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定參數(shù)精確移動(dòng)；

(4)按鍵：設(shè)置參數(shù).C語(yǔ)言編寫單片機(jī)控制程序，流程如圖5所示.

圖5 程序流程圖

1.4 儀器組成

單片機(jī)與光探頭相結(jié)合的光強(qiáng)記錄儀：?jiǎn)吸c(diǎn)測(cè)量次數(shù)1～100可選；光探頭步進(jìn)間距0.02～1 mm可選；儀器實(shí)物組成如圖6所示.

圖6 改進(jìn)激光衍射實(shí)驗(yàn)儀器

通過單片機(jī)處理數(shù)據(jù)信號(hào)，減少數(shù)據(jù)擾動(dòng)干擾，提高光強(qiáng)測(cè)量精度；使用單片機(jī)控制探頭移動(dòng)，減少人工操作誤差[5～12].

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比

選用氦氖激光器作為光源；滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件L=1 m；設(shè)定測(cè)量參數(shù)；逐點(diǎn)記錄光強(qiáng)，利用單片機(jī)按比例放大相對(duì)光強(qiáng)值(零級(jí)光譜除外)，不會(huì)影響暗紋或明紋的水平位置，獲得的光強(qiáng)分布圖直觀且易于處理數(shù)據(jù).

2.1 光柵衍射實(shí)驗(yàn)

所用的光柵的光柵常數(shù)為20線，單片機(jī)控制和手動(dòng)移動(dòng)光探頭掃描范圍均取85 mm；測(cè)量間隔均為0.5 mm.繪制光柵衍射圖線如圖7和圖8所示.

圖7 單片機(jī)控制探頭的光柵衍射光強(qiáng)分布圖線

圖8 手動(dòng)移動(dòng)探頭的光柵衍射光強(qiáng)分布圖線

2.2 單縫衍射實(shí)驗(yàn)

單縫寬0.1 mm,單片機(jī)控制和手動(dòng)移動(dòng)光探頭掃描范圍均取6 cm；測(cè)量間隔均為0.5 mm.繪制單縫光強(qiáng)分布圖線如圖9和圖10所示.

圖9 單片機(jī)控制探頭的單縫衍射光強(qiáng)分布圖線

圖10 手動(dòng)移動(dòng)探頭的單縫衍射光強(qiáng)分布圖線

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示.

表1 衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)的單片機(jī)控制光探頭移動(dòng)，是利用步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)精度高、可快速啟停帶動(dòng)光探頭精確移動(dòng)，有效減小人工轉(zhuǎn)動(dòng)手輪移動(dòng)光探頭造成的讀數(shù)誤差，還能節(jié)省大量的手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)間；利用高精度AD 進(jìn)行多次光強(qiáng)采集檢測(cè), 可減少光強(qiáng)擾動(dòng)帶來的光強(qiáng)測(cè)量誤差.波長(zhǎng)測(cè)量相對(duì)誤差小，實(shí)驗(yàn)操作自動(dòng)快速省時(shí)，有效提高了實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度和實(shí)驗(yàn)效率.