磁光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀的改造與實(shí)現(xiàn)

2014-08-07 23:19葉偉文汪露彭保進(jìn)石清國沈銘應(yīng)璐

光學(xué)儀器 2014年3期

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

葉偉文+汪露+彭保進(jìn)+石清國+沈銘+應(yīng)璐娜

文章編號(hào)： 10055630(2014)03026304

收稿日期： 20140128

基金項(xiàng)目：浙江師范大學(xué)光電信息科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目;高等學(xué)校訪問學(xué)者教師專業(yè)發(fā)展項(xiàng)目

作者簡介：葉偉文(1967),男,碩士,主要從事光電技術(shù)、物理實(shí)驗(yàn)方面的研究。

通訊作者：彭保進(jìn)(1967),男,教授,主要從事光電技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)方面的研究。

摘要：由于傳統(tǒng)磁光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀在實(shí)驗(yàn)過程中需要手動(dòng)調(diào)節(jié)偏振片并人為估計(jì)最佳位置數(shù)據(jù)、描繪圖像,實(shí)驗(yàn)顯示效果不直觀,精度低。針對(duì)這一問題,利用光電技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)控制技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。結(jié)果表明:改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確,實(shí)用性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：磁光調(diào)制; 光電技術(shù); 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

中圖分類號(hào)： O 433文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.03.016

The improvement and implementation of the magnetooptical

modulation experiment instrument

YE Weiwen1,2, WANG Lu2, PENG Baojin2, SHI Qingguo2, SHEN Ming2, YING Luna2

(1.Jin Hua Education College, Jinhua 321000, China;

2.Institute of Information Optics, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, China)

Abstract： Because the traditional magnetooptical modulation experiment instrument needs to adjust and record the experiment data by manual, the experiment results show that the effect is not intuitive, and the precision is low. Concerning on this issue, this paper combines with photoelectric technology and computer technology to improve the traditional instrument. The results show that after improving, the experimental result of the experiment instrument is more intuitive, the experimental data is more precise, and the instrument has strong practicability.

Key words： magnetooptical modulation; photoelectric technology; computer technology

引言隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,磁光調(diào)制技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。磁光調(diào)制是利用某些晶體的磁光效應(yīng)［13］,對(duì)光信號(hào)的幅度進(jìn)行調(diào)制,使光信號(hào)的幅度隨著調(diào)制信號(hào)的變化而變化,實(shí)現(xiàn)把調(diào)制信號(hào)加載到光信號(hào)上［45］。磁光調(diào)制的這一特性使得該技術(shù)在光電檢測(cè)、光通訊、光顯示等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用［69］。磁光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀,作為高等院校新一代的物理實(shí)驗(yàn)儀器,不僅能夠使學(xué)生很好地掌握磁光調(diào)制的原理,而且在基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)和相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)中,還可以用于磁場(chǎng)與光場(chǎng)相互作用以及光信息處理等的研究［1013］。但是,傳統(tǒng)的磁光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀在實(shí)驗(yàn)過程中需要手動(dòng)調(diào)節(jié)并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),這使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確度低,且顯示效果不直觀［1315］。本文主要針對(duì)目前實(shí)驗(yàn)室中磁光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀的不足,充分利用光電技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)并結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的思想對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置精確度高,實(shí)驗(yàn)效果清晰直觀。1實(shí)驗(yàn)原理圖1所示的是改進(jìn)后的磁光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀原理圖,實(shí)驗(yàn)儀的工作原理為:光源發(fā)出的光經(jīng)起偏器P后穿過勵(lì)磁線圈,再經(jīng)檢偏器A至光接收部件(光接收部件與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀相比,換成了光敏電阻),光敏電阻將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),通過放大電路的放大,由信號(hào)采集器采集并送入計(jì)算機(jī),在計(jì)算機(jī)上顯示出光強(qiáng)的變化。用串聯(lián)電阻對(duì)磁光介質(zhì)線圈兩端的電壓(0～30 V)進(jìn)行分壓,得到分壓后的電壓為0～5 V。通過信號(hào)采集器采集線圈電壓的大小并送入計(jì)算機(jī),在計(jì)算機(jī)上反映出磁場(chǎng)的變化。通過計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)起偏器P的勻速轉(zhuǎn)動(dòng),在計(jì)算機(jī)上記錄下各個(gè)角度時(shí)的光強(qiáng)變化。編寫相應(yīng)的VB程序,將以上結(jié)果繪制成光強(qiáng)與旋轉(zhuǎn)角度、光強(qiáng)與線圈電壓(即磁場(chǎng))的關(guān)系圖,這樣便可在計(jì)算機(jī)上非常直觀地看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置由電腦實(shí)時(shí)控制,克服了手動(dòng)帶來的誤差,精確度高。光學(xué)儀器第36卷

第3期葉偉文，等：磁光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀的改造與實(shí)現(xiàn)

圖1改進(jìn)后的磁光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀原理圖

Fig.1Principle diagram of improved magnetooptic modulation experiment instrument

2實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)及操作

2.1實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)圖2是根據(jù)圖1所示的原理搭建的裝置實(shí)物圖,該裝置主要包括激光管L、起偏器P、帶調(diào)制線圈的磁光介質(zhì)、檢偏器A、光敏電阻、穩(wěn)壓電源、放大電路、信號(hào)采集器、步進(jìn)電機(jī)和計(jì)算機(jī)。

圖2改進(jìn)后的磁光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀實(shí)物圖

Fig.2Physical diagram of improved magnetooptic modulation experiment instrument

(1)光強(qiáng)信號(hào)的采集:用光敏電阻替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀中的光接收部分,光敏電阻將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),通過放大電路的放大,由信號(hào)采集器采集并送入計(jì)算機(jī)。通過相應(yīng)的VB程序,在計(jì)算機(jī)上便可反映出光強(qiáng)的變化情況。(2)磁光介質(zhì)線圈兩端電壓的采集:引出磁光介質(zhì)線圈兩端的電壓(0～30 V),采用串聯(lián)電阻的方式進(jìn)行分壓,分壓后的電壓為0～5 V,將分壓后的電壓信號(hào)通過信號(hào)采集器采集并送入計(jì)算機(jī)。通過相應(yīng)的VB程序,在計(jì)算機(jī)上便可反映出磁場(chǎng)的變化情況。(3)計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng):若想讓計(jì)算機(jī)控制檢偏器勻速旋轉(zhuǎn),并且知道檢偏器的實(shí)時(shí)角度,最簡便的辦法是采用步進(jìn)電機(jī)。圖3所示為計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的示意圖,圖中,A、B、C、D依次接計(jì)算機(jī)現(xiàn)成并行口的2、3、4、5四個(gè)數(shù)據(jù)引腳,若假設(shè)并行口基地址為378H,則用VB程序“vbOut &H378,2^I”來實(shí)時(shí)控制外部步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)使用八拍方式控制:AABBBCCCDDDA(0001、0011、0010、0110、0100、1100、1000、1001)。

圖3步進(jìn)電機(jī)接口示意圖

Fig.3Schematic of stepper motor interface

編寫相應(yīng)的VB程序,計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集,并直觀地顯示實(shí)驗(yàn)過程。

2.2實(shí)驗(yàn)操作按圖2所示連接好實(shí)驗(yàn)裝置,運(yùn)行軟件。本裝置提供線圈兩端電壓(用于產(chǎn)生磁場(chǎng))的穩(wěn)壓源可調(diào)電壓范圍為0~30 V,本實(shí)驗(yàn)可從0 V開始實(shí)驗(yàn),每次增加3~5 V電壓(這樣可得到6~8個(gè)偏振光振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)角度與對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)值的數(shù)據(jù)點(diǎn),如圖4(b)所示)。對(duì)于每一次確定的電壓(磁場(chǎng)),用軟件控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)180°,邊旋轉(zhuǎn)邊讓采集器高速采集反映光強(qiáng)變化的電壓數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)在屏幕上描繪出圖4(a)所示的曲線,并在旋轉(zhuǎn)180°后軟件會(huì)自動(dòng)找出曲線中的最大光強(qiáng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度,再自動(dòng)在圖4(b)所示的圖上描出對(duì)應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)。此后線圈兩端電壓每增加一次,操作與此類同。如此可直觀地得到圖4(b)所示的磁光特性圖。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析編寫相應(yīng)的VB程序,通過信號(hào)采集器進(jìn)行采集并送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理,按2.2所述進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,得到如圖4所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖。圖4(a)為步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)180°過程中旋轉(zhuǎn)角度和光強(qiáng)的關(guān)系圖。此時(shí)線圈兩端的電壓值是固定不變的,即磁場(chǎng)固定不變。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)間為5 s,檢偏器從-90°旋轉(zhuǎn)至90°。當(dāng)起偏器角度發(fā)生變化時(shí),起偏器與檢偏器的相對(duì)位置發(fā)生變化。隨著兩個(gè)偏振片相對(duì)位置的變化,光強(qiáng)示數(shù)隨之變化。由此圖可看出,當(dāng)檢偏器主平面與偏振光振動(dòng)面一致時(shí),光強(qiáng)達(dá)到最大值。圖4(b)為偏振面旋轉(zhuǎn)角度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系圖。圖中線圈電壓值(即磁場(chǎng)強(qiáng)度)每增加一次,圖4(a)所示的曲線掃描一次,即步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)180°。由此圖可直觀地看出偏振面旋轉(zhuǎn)角度隨著外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大,基本成線性關(guān)系。

圖4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

Fig.4Diagram of experimental data

4結(jié)論針對(duì)傳統(tǒng)磁光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀的不足,本文結(jié)合光電技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)?？梢钥吹?改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)儀不僅顯示效果直觀、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更精確,而且能夠讓學(xué)生將所學(xué)的光電知識(shí)及計(jì)算機(jī)知識(shí)有機(jī)地結(jié)合起來,達(dá)到更好的教學(xué)目的。因此改進(jìn)后的磁光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀具有更廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)：

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