多功能夫瑯禾費(fèi)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）

多功能夫瑯禾費(fèi)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(duì)目前國(guó)內(nèi)夫瑯禾費(fèi)衍射演示儀存在的問(wèn)題，研制了一種“多功能夫瑯禾費(fèi)衍射演示儀”，實(shí)現(xiàn)了26種衍射縫的夫瑯禾費(fèi)衍射的演示實(shí)驗(yàn)及相應(yīng)的計(jì)算機(jī)（變參數(shù)）模擬仿真實(shí)驗(yàn)，具有演示與仿真一體化、演示種類(lèi)多、演示效果明顯，自動(dòng)快速、使用方便、功能多樣等特點(diǎn)，能夠滿足光學(xué)課程對(duì)夫瑯禾費(fèi)衍射進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)的要求。

夫瑯和費(fèi)衍射；演示儀；單片機(jī)；仿真模擬

光的干涉和衍射是揭示光的波動(dòng)性的重要實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，夫瑯禾費(fèi)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(shí)日趨緊張，加之波動(dòng)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(shí)驗(yàn)進(jìn)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(fèi)衍射演示儀普遍存在手動(dòng)調(diào)整光路、演示效果不佳、衍射屏種類(lèi)少、功能單一等缺點(diǎn)，不能滿足課堂教學(xué)需要。

為徹底解決上述問(wèn)題，本項(xiàng)目研制了一臺(tái)“多功能夫瑯禾費(fèi)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(pán)為衍射屏，采用微機(jī)、單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)聯(lián)合控制的方式，實(shí)現(xiàn)多種衍射屏的自動(dòng)夫瑯禾費(fèi)衍射演示實(shí)驗(yàn)，同時(shí)，在微機(jī)上還可以同步給出相應(yīng)衍射屏的Matlab仿真實(shí)驗(yàn)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(fèi)衍射演示儀”主要由穩(wěn)壓電源、半導(dǎo)體激光器、狹縫盤(pán)、計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等組成，見(jiàn)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(pán)［5］，兩個(gè)衍射盤(pán)的外觀相同，但狹縫不同，一個(gè)為單縫盤(pán)，另一個(gè)為多縫盤(pán)。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(fèi)衍射實(shí)驗(yàn)提供了可靠保證。OS-8453衍射盤(pán)的形狀、結(jié)構(gòu)以及各種縫的具體參數(shù)，見(jiàn)圖2和表1。

圖2 OS-8453衍射盤(pán)

計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)的上位機(jī)，主要完成兩部分工作。第一是通過(guò)串口和MSC控件向單片機(jī)發(fā)送單字節(jié)串行指令，各指令與狹縫對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示，采用Visual Basic編程。第二是實(shí)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(jì)算機(jī)屏幕上繪制出相應(yīng)衍射縫的衍射圖樣和光強(qiáng)分布曲線，并可實(shí)現(xiàn)變參數(shù)仿真模擬。

表1 上位機(jī)命令與衍射盤(pán)上狹縫對(duì)應(yīng)關(guān)系

單片機(jī)采用89C52，作為下位機(jī)，采用C語(yǔ)言編程。主要負(fù)責(zé)儀器的初始化、判斷當(dāng)前儀器是否與計(jì)算機(jī)相連、響應(yīng)來(lái)自計(jì)算機(jī)的串行指令，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)狹縫盤(pán)的精確控制。程序流程見(jiàn)圖3。

圖3 程序流程圖

步進(jìn)電機(jī)采用35BYG48HJ30B，在其轉(zhuǎn)動(dòng)軸上安裝狹縫盤(pán)，在單片機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)不同方向和角度的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 系統(tǒng)的工作過(guò)程、功能及特點(diǎn)

當(dāng)需要進(jìn)行某種衍射縫的夫瑯禾費(fèi)衍射實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)表1，通過(guò)計(jì)算機(jī)給單片機(jī)下達(dá)相應(yīng)的指令。根據(jù)此指令，單片機(jī)即可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)向特定方向旋轉(zhuǎn)某一角度，從而使狹縫盤(pán)上的相應(yīng)衍射縫與激光束對(duì)準(zhǔn)，此時(shí)，在接收屏上即可看到該衍射縫的衍射圖樣，見(jiàn)圖4。與此同時(shí)，在計(jì)算機(jī)屏幕上給出該縫夫瑯禾費(fèi)衍射的衍射圖樣、光強(qiáng)分布曲線及其立體圖、及相應(yīng)的理論公式，見(jiàn)圖5。另外，還可以進(jìn)行變參數(shù)的仿真模擬。

圖4 單狹縫的夫瑯禾費(fèi)衍射圖樣

圖5 計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)

該儀器實(shí)現(xiàn)了26種衍射縫的夫瑯禾費(fèi)衍射的演示實(shí)驗(yàn)及相應(yīng)的計(jì)算機(jī)（變參數(shù)）模擬仿真實(shí)驗(yàn)，具有演示與仿真一體化、演示種類(lèi)多、演示效果明顯，自動(dòng)快速、使用方便、功能多樣等特點(diǎn)。

3 結(jié) 論

本文所研制的“多功能夫瑯禾費(fèi)衍射演示儀”，除了可以實(shí)現(xiàn)26種衍射縫的夫瑯禾費(fèi)衍射的演示實(shí)驗(yàn)外，還可以進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算機(jī)（變參數(shù)）模擬仿真實(shí)驗(yàn)，具有演示與仿真一體化、演示種類(lèi)多、演示效果明顯，自動(dòng)快速、使用方便、功能多樣等特點(diǎn)，能夠滿足光學(xué)課程對(duì)夫瑯禾費(fèi)衍射進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)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(duì)夫瑯禾費(fèi)圓孔衍射場(chǎng)基本特征的討論［J］.遼寧師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（6）：13-16.

［3］ 厲江帆.夫瑯禾費(fèi)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(fèi)衍射場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)演示［J］.物理實(shí)驗(yàn)，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(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目資助