大學物理實驗激光衍射教學儀器的改進*

趙培剛 李冬萍 姜永清

(中國海洋大學物理實驗教學中心 山東 青島 266000)

大學物理光的衍射實驗以激光為光源入射到光柵等器件上，借助一維調節架移動光探頭，沿衍射圖樣展開方向在不同位置測量光強，從而得到衍射光強分布譜線(圖1).實驗優點是學生參與度高；缺點是人工移動光探頭，每0.5 mm逐點記錄光強值，測量衍射光強分布長達10 cm，數據多時間長；再加上光強波動以及背景噪聲干擾等，造成了位置和光強的讀數誤差較大.

圖1 激光衍射實驗儀一維調節架和光探頭

為解決衍射光強分布測量實驗時間長、誤差大的問題，利用單片機控制光探頭替代人工移動，實時采集存儲和處理數據[1]，能高效完成衍射光強分布的精密測量.

1 衍射儀器改進

1.1 基本構想

(1)用單片機控制步進電機帶動探頭精準移動，可減小人工移動探頭的位置誤差；

(2)由單片機快速完成多次數據測量并取平均值，能精確測量同一位置衍射光強[2].

1.2 硬件構成

光衍射實驗儀器結構如圖2所示，主要包括單片機MCU、顯示器、按鍵、步進電機、光探頭、放大電路、模數轉換電路.

圖2 光衍射儀器系統框架示意圖

光衍射儀器硬件構成：

(1)單片機采用mega16L，自帶10位ADC，結構簡單運行穩定[3]；

(2)液晶顯示器采用OCMJ2X8C，能及時掌握儀器運行信息；

(3)兩相步進電機帶動光探頭移動的絲杠螺距為1 mm，使用32細分的驅動器驅動，使光探頭移動的最小間距為0.156 25 μm(1 mm/6 400步)，通過設置脈沖個數，可改變光探頭移動間距(如128脈沖* 0.156 25 μm=0.02 mm)，如圖3所示；

圖3 步進電機設計圖

(4)3個運算放大器構成的放大電路，具有放大倍數可調、精密度高、輸入電阻大及共模抑制比較高等優點，考慮到高頻信號的干擾，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個程序模塊.

(1)液晶屏：顯示測量數據；

(2)模數轉換模塊：負責將放大電路輸出的模擬信號轉換成數字信號；

(3)步進電機控制模塊：主要控制步進電機按設定參數精確移動；

(4)按鍵：設置參數.C語言編寫單片機控制程序，流程如圖5所示.

圖5 程序流程圖

1.4 儀器組成

單片機與光探頭相結合的光強記錄儀：單點測量次數1～100可選；光探頭步進間距0.02～1 mm可選；儀器實物組成如圖6所示.

圖6 改進激光衍射實驗儀器

通過單片機處理數據信號，減少數據擾動干擾，提高光強測量精度；使用單片機控制探頭移動，減少人工操作誤差[5～12].

2 實驗測量結果對比

選用氦氖激光器作為光源；滿足遠場條件L=1 m；設定測量參數；逐點記錄光強，利用單片機按比例放大相對光強值(零級光譜除外)，不會影響暗紋或明紋的水平位置，獲得的光強分布圖直觀且易于處理數據.

2.1 光柵衍射實驗

所用的光柵的光柵常數為20線，單片機控制和手動移動光探頭掃描范圍均取85 mm；測量間隔均為0.5 mm.繪制光柵衍射圖線如圖7和圖8所示.

圖7 單片機控制探頭的光柵衍射光強分布圖線

圖8 手動移動探頭的光柵衍射光強分布圖線

2.2 單縫衍射實驗

單縫寬0.1 mm,單片機控制和手動移動光探頭掃描范圍均取6 cm；測量間隔均為0.5 mm.繪制單縫光強分布圖線如圖9和圖10所示.

圖9 單片機控制探頭的單縫衍射光強分布圖線

圖10 手動移動探頭的單縫衍射光強分布圖線

2.3 實驗結果對比

實驗結果如表1所示.

表1 衍射實驗結果

3 結論

設計的單片機控制光探頭移動，是利用步進電機步進精度高、可快速啟停帶動光探頭精確移動，有效減小人工轉動手輪移動光探頭造成的讀數誤差，還能節省大量的手動調節時間；利用高精度AD 進行多次光強采集檢測, 可減少光強擾動帶來的光強測量誤差.波長測量相對誤差小，實驗操作自動快速省時，有效提高了實驗測量精度和實驗效率.