光学衍射综合实验系统设计与制作.docx

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光学衍射综合实验系统设计与制作

编码：

山东省第四届大学生物理科技创新大赛

研究报告

作品名称：

光学衍射综合实验系统设计与制作

学校全称：

申报者姓名：

指导教师：

类别：

□实验方法研究（A类）

自制实验教学仪器（B类）

□物理量智能化测量（C类）

□实验模拟与仿真（D类）

□实用创新（E类）

《光学衍射综合实验系统设计与制作》研究报告

摘要:

本实验系统是在传统导轨型光强分布仪的基础上改造而成，在原有手动测量的基础上添加了步进电机自动控制系统，并通过单片机编程实现将测量数据实时发送到电脑进行处理。

并自主开发了集数据处理、作图、光学衍射验证为一体的软件。

实验系统手动自动测量两用，在手动模式下，需要人工进行数据的处理等操作；自动模式下，依靠实验系统的高度自动化，可全部通过操作软件进行数据采集、处理、作图，并可将数据保存，方便以后查看。

关键词：

光学衍射；缝宽；数据采集；自动化；步进电机；数据存储

Abstract：

Theexperimentalsystemisadaptedfromthetraditionalrail-typeinstrumentlightintensitydistributiononthebasisofaddedtotheoriginalmanualmeasurementsonthebasisofthesteppermotorautomaticcontrolsystemwillmeasurethereal-timedatasenttoacomputerforprocessing,andmicrocontrollerprogramming.Andindependentlydevelopedasetofdataprocessing,mapping,opticaldiffractionverifiedasoneofthesoftware.Experimentalsystemmanualandautomaticmeasurementofdual-useinmanualmode,youneedtomanualdataprocessingandotheroperations;automaticmode,thehighlyautomated,relyingontheexperimentalsystemwillbefullyoperatingsoftwarefordataacquisition,processing,mapping,andmaybeThedatasavedforlaterviewing.

Keywords:

Diffraction;slitwidth;dataacquisition;automation;steppingmotor;datastorage

1引言

1.1光学衍射理论研究

对于单缝，其复振幅透过率函数可表示为：

其中

为缝宽。

对此透过函数进行傅里叶变换，即

所以，夫琅和费衍射区复振幅分布为：

强度分布为：

其中，

所以，激光通过单缝衍射并归一化处理后光强度分布为：

式中，

为缝宽，

为衍射区横坐标，

为光波波长，

为衍射距离。

对于双缝，其最终光强度分布公式为：

式中，

为缝宽，

为两缝中心距离，

为光波波长，

为衍射距离。

多缝衍射相应强度分布公式较为复杂，此处就不再一一列举。

单缝夫琅和费衍射衍射图样分布如下图所示：

图1单缝衍射强度分布

以下是根据推导出的单缝衍射强度分布公式利用matlab软件做出的光强分布图像：

图2130um缝宽，0.7m衍射距离，不同波长衍射图像对比

1.2实验系统综述

本实验系统，用集成光强检测芯片替代传统的光电池，解决了光电池的暗电流、漂移等问题；并用步进电机通过小模数齿轮依次带动变速齿轮、传动丝杠转动，从而使光强度探头横向移动。

探头移动时同步采集数据，实时将数据显示在液晶屏上，并将数据发送到系统软件。

系统软件将接收到的数据分析处理并作出实际光强分布图像，根据实验人员选择，计算出缝宽等参数，画出标准图像与实际图像进行比较，观察符合性。

在进行单缝衍射实验时，依据光强度探头扫描回的衍射数据，计算出衍射光谱暗纹间距离，根据公式即可计算出缝宽值，再由光强度分布公式即可在同一坐标系下绘制出标准的图像与实际图像进行对比，验证单缝衍射。

若使用标准单缝，更可从表观上对比实验系统的准确度。

系统实物图如下：

图3系统实物图

2.系统构成

本系统终端以市场上应用广泛、价格低廉的8位单片机为核心，负责控制步进电机的运转、光强度数据的采集及的发送。

其硬件组成框图如下：

图4系统构成原理框图

图5系统构成实物示意图

3.系统硬件设计

3.1步进电机传动及光强度探头的设计制作

在设计步进电机传动装置时，考虑到传动装置的精确度、微量性，并且可逆向运动,故采用正齿传动。

各部分参数如下：

步进电机齿轮

变速齿轮

M6传动丝杠

模数

0.5

模数

0.5

螺距

1mm

齿数

16

齿数

140

外径

9mm

外径

71mm

如下图所示：

测量系统控制步进电机单步转动，步进电机齿轮带动变速齿轮转动，变速齿轮连接传动丝杠，传动丝杠转动时即可带动光强度探头左右移动。

图6步进电机传动装置示意图

采用MITSUMIV8715单步脚为7.5度的步进电机，电机每转动7.5度，感光探头移动的距离为

：

在实际控制中，每次给步进电机四个激励脉冲，即每次转过30度，实际探头单步移动的距离

为：

在此基础上，便可以通过算法准确计算出光强检测探头每次采集数据的实际距离，为每次传回的光强度数据准确定位。

3.2系统电源及步进电机驱动电路的设计

因为系统牵扯到步进电机的驱动，在工业设计上为消除机械传动部分对系统的干扰，常采用光耦隔离、步进电机单独电源供电的方式进行驱动。

为此，设计制作的电源为两路非共地的独立5V电源。

为保证电源的稳定性，使用两路输出9V电源的变压器进行桥式整流、滤波，再用三端稳压器件CW7805稳压到5V。

电源原理图如下：

图7系统电源部分原理图

为提高系统工作稳定性，步进电机驱动电路使用东芝公司生产的4通道光耦集成芯片TLP521-4进行步进电机与系统电路的隔离，使用集成达林顿管芯片ULN2003A独立电源供电驱动，驱动电路原理图如下：

图8系统步进电机驱动原理图

3.3单片机电路设计与制作

单片机采用目前市场上使用广泛的宏晶科技的STC89C52，内部含有256B的RAM、4KB的ROM、波特率可设置的全双工串口通信，4组32个准双向I/O口，可通过编程实现对周围模块的自由控制。

电路部分总原理图如下：

图9系统单片机控制部分原理总图

显示模块采用LCD1602液晶显示器，可显示两行，每行16个字母或数字。

该液晶驱动方式有4位并口或8位并口可选，考虑到单片机I/O口足够用，故在此采用8位并口驱动。

光强检测模块采用罗姆公司的集成芯片BH1750FVI，通过IIC总线将光强度数据读出，每次读16位数据，并通过函数计算出光强值。

与电脑通讯使用市场上应用广泛的USB转COM数据线，使用时需在计算机安装相应驱动软件。

单片机端，使用电平转换芯片MAX232，此芯片可实现单片机的TTL电平与计算机RS232电平互转，并可同时实现两路串口的同时通信，互不干扰。

4系统软件设计

4.1单片机终端软件设计

实验系统单片机控制程序使用美国KeilSoftware公司开发的KeilC51集成开发环境编写，Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起，编写程序方便、高效。

实际编写程序采用模块化编程，对每个文件进行头文件与源文件的封装，在该系统的设计中，除了编译环境提供的标准头文件，还用到了自己编写的delay.h，bh1750.h，lcd1602.h，serial.h，keyscan.h等头文件，每个头文件都有其对应的源文件。

下图为实际的开发环境截图：

图10uVision4开发环境截图

下面是系统终端程序框图：

图11实验系统终端程序框图

4.2上位机软件设计调试

上位机软件使用微软的集成开发环境VisualStudio2010基于.NETFrameWork4.0设计开发，软件启动界面如图所示：

图12实验系统分析软件主界面

【载入项目】可以将以前测量保存下的.idp文件重新载入查看；

【新建项目】即建立新的测量项目,点击之后，出现如图窗口：

图13新建实验项目界面

【步长】可以调整测量时步进单机转过的角度，默认值为８。

选中步长，按退格键即可清空，手动输入1-15之间的数字，按回车键确认，如果输入的数字超过范围，便自动调整为默认值8。

每次转过角度越小，光强度探头移动的距离越小，数据点采集越密集，从而精度也越高。

【测量周期】：

调整每次采集数据的时间间隔。

【串口设置】：

用于选择与测量终端连接的COM口。

测量时，点击【连接】按钮，联机成功，再点击

或者

即可开始测量，测量时，可随时点击【暂停】停止测量。

点击【清空】时，可将当前数据缓冲区的数据清空。

【模式转换】用于切换图像显示是以连线形式还是以打点的形式显示。

如图所示：

图14测量界面连线形式作图

图15测量界面打点形式作图

测量结束后，点击确定按钮，即可自动保存当前数据，关闭该窗口，进入主操作界面。

如下图：

图16测量结束软件做出的图像

对于单缝衍射，测量完成后，手动输入激光波长，衍射距离，点击【计算】按钮，从横坐标负值开始拖动出合适区域，点击鼠标右键，即可自动计算出缝宽、各级次的极大值、相对误差等信息，并同时画出标准光强分布曲线对照，如图所示：

图17软件自动计算出所有测量信息

非计算模式下，可用鼠标随意拖动区域进行放大观察曲线，点击鼠标右键或者【坐标还原】恢复原来标度。

图18软件实现放大功能

点击【标准曲线】、【实际曲线】，可实现图像颜色的设置，调整【线型样式】，可在【点】、【折线】、【填充线】、【平滑曲线】间切换，如图所示：

图19做出的图像可以进行线形的调节

点击【坐标切换】，可在相位坐标、自然坐标之间切换。

图20软件以相位坐标显示

做双缝衍射实验时，其光强分布曲线如下图所示：

图21双缝衍射曲线强度分布

做多缝衍射光强分布实验时，按如上步骤即可做出其衍射图像。

此处不再截图示范。

4.2部分实验数据

实验条件

波长

衍射距离

测量步长

测量周期

632.8nm

0.7m

8/105mm

400ms

实

验

数

据

极大值相对光强

实验值

理论值

相对误差

﹣1级次

0.0440

0.04503

-0.514％

＋1级次

0.0456

﹣2级次

0.0150

0.01621

-2.135％

＋2级次

0.0155

﹣3级次

0.0065

0.00827

-2.601％

＋3级次

0.0077

极小值坐标

﹣1极小

﹢1极小

计算得缝宽

-3.8857mm

+3.8857mm

113.9972um

5.结语

本实验系统涉及信息光学、光电检测技术、机械设计自动化、单片机项目开发、C#高级语言程序设计等多个知识领域，是一套综合的实验测量系统。

总体安装调试后，对单缝、双缝及多缝衍射均可做出很好的光强分布图像，并对单缝衍射通过算法自动计算出缝宽；如果添加相应算法，还可进一步计算双缝、多缝缝宽等参数。

参考文献

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机械工业出版社，2009.

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中国石油大学出版社，2009.

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清华大学出版社，2010.

[7]谭浩强，张基温.C语言程序设计教程（第3版）[M].北京：

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