偏振光實驗系統(tǒng)的改進(jìn)

王佩祥,王 坤,韓立波,喻秋山

(長江大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

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偏振光實驗系統(tǒng)的改進(jìn)

王佩祥,王 坤,韓立波,喻秋山

(長江大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

針對SGP-2A型偏振光實驗系統(tǒng)在使用過程中存在精度低、實驗效率低下和表現(xiàn)力弱等不足，對以微處理器STC12C5A60S2為核心的系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn). 改進(jìn)后的系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，可根據(jù)交互指令實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示自動化，提高了系統(tǒng)的測量精度、實驗效率、數(shù)據(jù)表現(xiàn)力和便攜性，滿足了實驗教學(xué)和課堂演示需求.

偏振光；微處理器；光電檢測；角位移

1 引 言

光的偏振是指光的振動方向與光的傳播方向的不對稱性. 光波是一種電磁波，光波的傳播方向就是電磁波的傳播方向. 光波中的電矢量和磁矢量都與傳播方向垂直，它具有偏振性. 通過對光的偏振現(xiàn)象研究可驗證光的波動性，也有助于加深對光的傳播規(guī)律和光與物質(zhì)相互作用規(guī)律的認(rèn)識. 因而，改進(jìn)和提高偏振光實驗系統(tǒng)的演示效果對更好地了解相關(guān)偏振光知識具有積極的意義[1].

2 SGP-2A型偏振光實驗儀簡介

正是由于對偏振光研究具有重要的現(xiàn)實意義，因而在很多高校的大學(xué)物理實驗課中都開設(shè)有相關(guān)內(nèi)容，其中由天津港東科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的SGP-2A型偏振光實驗系統(tǒng)(如圖1所示)是應(yīng)用最為廣泛的實驗系統(tǒng)之一.

圖1 SGP-2A型偏振光實驗系統(tǒng)

在SGP-2A型偏振光實驗系統(tǒng)中激光光源產(chǎn)生的自然光經(jīng)過起偏器P1后將轉(zhuǎn)變?yōu)槠窆?如圖2～3所示)，偏振光可由檢偏器P2來檢驗——繞光軸旋轉(zhuǎn)檢偏器P2將會觀察到出射光光強(qiáng)發(fā)生周期性變化，這就是著名的馬呂斯實驗. 若在P1和P2之間插入玻片或黑玻璃堆等光學(xué)介質(zhì)時，從其透射光或反射光中還可以看到更多的偏振現(xiàn)象[1-3]. 這些都豐富了偏振實驗內(nèi)容.

圖2 SGP-2A型偏振光實驗系統(tǒng)形成偏振光路

圖3 偏振原理圖

然而，在使用這套偏振光實驗系統(tǒng)的過程中也發(fā)現(xiàn)其存在以下不足[1-4]：

1)系統(tǒng)的抗干擾性差，數(shù)據(jù)表現(xiàn)力弱. 光電傳感器檢測到的光強(qiáng)易受環(huán)境光源的方向性、激光光源的穩(wěn)定性及光電傳感器非線性響應(yīng)等的影響，數(shù)據(jù)重復(fù)性差，實驗精度低(實驗多次重復(fù)測量的誤差可達(dá)10%～15%)，嚴(yán)重影響到實驗數(shù)據(jù)的表現(xiàn)力.

2)實驗效率低下，演示效果不明顯. 實驗過程中需要測量和記錄大量實驗數(shù)據(jù)，學(xué)生消耗大量精力在數(shù)據(jù)的測量、計算和處理上，而對實驗過程和數(shù)據(jù)表現(xiàn)出的本質(zhì)認(rèn)識就擺到了從屬地位，將不利于學(xué)生對實驗內(nèi)容的全面掌握.

3)實驗的拓展性差. 該實驗系統(tǒng)僅能演示幾個基本實驗現(xiàn)象，缺少實驗內(nèi)容的拓展，不利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

4)儀器較為笨重，全套器材在20 kg以上，便攜性差.

針對以上系統(tǒng)的不足，提出了基于STC12C5A60S2微處理器的偏振光實驗自動測量系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計方案[5].

3 偏振光實驗系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計與實現(xiàn)

偏振光實驗測量系統(tǒng)的改進(jìn)在設(shè)計上采用模塊化的硬件設(shè)計思路，通過微處理器豐富的接口實現(xiàn)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性；利用微處理器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)測量、處理和顯示的自動化，提高實驗的效率，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的表現(xiàn)力；在元器件布局上采用緊湊的集約設(shè)計理念，充分提高儀器的美觀性和便攜性.

3.1 整體設(shè)計思路

系統(tǒng)以STC12C5A60S2微處理器為核心，通過外接光電傳感器模塊檢測光信號通過光學(xué)器件后的光強(qiáng)和偏振狀態(tài)變化；通過輸入/輸出模塊對微處理器進(jìn)行指令交互控制，特別是對步進(jìn)電機(jī)的控制和對實驗測量過程中數(shù)據(jù)的采集、處理和圖形化的數(shù)值顯示；通過改進(jìn)電源和光電傳感器的設(shè)計，提高系統(tǒng)的抗干擾性；采用集成電路和模塊化的設(shè)計方案，減小系統(tǒng)的體積和重量，提高系統(tǒng)的便攜性. 整體設(shè)計框圖如圖4所示.

圖4 偏振光實驗自動測量系統(tǒng)整體設(shè)計框圖

3.2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)

3.2.1 光電檢測部分的設(shè)計

實驗對光信號的檢測要求有高的靈敏度和線性響應(yīng)特性，故系統(tǒng)有高的抗干擾性能是關(guān)鍵. 為此，從提高電源的穩(wěn)定性和線性放大增益進(jìn)行設(shè)計. 光源由采用穩(wěn)壓直流電源供電的固體激光器產(chǎn)生，這將節(jié)省空間和減輕重量，也更容易設(shè)計出光源功率輸出更穩(wěn)定的電源. 光電接收傳感器采用加有預(yù)偏置電壓的光敏三極管放大電路，使光敏三極管始終工作于線性放大區(qū). 其后級放大電路采用雙運算放大器LM358芯片作前置放大器[6]，可滿足信號在高放大倍數(shù)情況下仍有良好的線性響應(yīng). LM358是內(nèi)部包括有2個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，對電源的要求低，可工作于單電源和雙電源，且在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān). 基于以上設(shè)計，可最大限度提高光電檢測信號的質(zhì)量.

3.2.2 偏振片的角位移測量設(shè)計

為實現(xiàn)測量系統(tǒng)中光學(xué)器件角位移的自動化測量，圖2中偏振片P2保持不動，HY42DJ48型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動偏振片P1繞軸作相對轉(zhuǎn)動[7]. 其測量原理如下：步進(jìn)電機(jī)是可將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元部件. 在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到1個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行. 在計數(shù)初始化后，可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的.

3.2.3 開關(guān)穩(wěn)壓電源部分的應(yīng)用設(shè)計

為提高激光光源輸出的穩(wěn)定性和步進(jìn)電機(jī)的大電流驅(qū)動需要，同時考慮到儀器便攜性和電源轉(zhuǎn)換效率，綜合比較鐵芯變壓器電源、開關(guān)穩(wěn)壓電源和混合三端集成穩(wěn)壓電源等多種設(shè)計方案[8]，決定采用LM2596芯片為核心的多電壓輸出開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計方案. 該方案相比于其他方案具有明顯的優(yōu)勢：輸出電流大，可達(dá)到3 A以上的穩(wěn)定輸出；穩(wěn)定性好，具有良好的線性響應(yīng)和自動負(fù)載調(diào)節(jié)能力；轉(zhuǎn)化效率高，額定工作條件下轉(zhuǎn)化效率可達(dá)85%以上.

3.2.4 交互控制界面的設(shè)計

系統(tǒng)控制指令由5個物理按鍵輸入，可快捷地完成各種控制指令的輸入. 信息顯示由5 inch(1 inch=0.025 4 m)TFT彩色液晶屏[9]實現(xiàn)，其分辨率為800×480，配合5個按鍵可完美實現(xiàn)系統(tǒng)信息交互的需求.

3.2.5 MCU控制部分與總體設(shè)計

MCU(Microcontroller Unit，微控制單元)作為系統(tǒng)的核心部件，采用了臺灣宏晶科技公司生產(chǎn)的STC12C5A60S2微處理器芯片[5]. 該芯片指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，工作頻率在0～35 MHz(相當(dāng)于傳統(tǒng)8051單片機(jī)運算速度的8～12倍)可變. 內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，以及最大62 k的應(yīng)用程序空間和1 280 Byte的RAM，是一種高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，可完全滿足本設(shè)計的應(yīng)用需求.

作為系統(tǒng)的驅(qū)動程序采用C語言模塊化設(shè)計，通過系統(tǒng)中斷命令可調(diào)用各模塊子程序，快速實現(xiàn)功能模塊的增刪，從而使系統(tǒng)開發(fā)有好的可擴(kuò)展性. 系統(tǒng)的總體電路設(shè)計圖如圖5所示.

圖5 偏振光實驗自動測量系統(tǒng)總體電路圖

3.3 外觀和內(nèi)部設(shè)計的改進(jìn)與實現(xiàn)

SGP-2A型偏振光實驗系統(tǒng)的原型中，各光學(xué)器件是依次安裝在鋼導(dǎo)軌上，且曝露在自然光環(huán)境中. 此設(shè)計方案一方面降低了儀器的便攜性，另一方面也降低了對背景光的抗干擾性. 改進(jìn)的系統(tǒng)的各元器件均采用緊湊設(shè)計，并放置于不透光的鋁板箱中，如圖6(a)所示. 在箱的正面設(shè)有TFT液晶面板觀測窗和控制按鈕，可方便地進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)和控制指令的交互. 將儀器背板設(shè)置成活頁觀測窗口，打開后可觀察箱內(nèi)儀器各部分的組成及光的傳播路徑，有助于學(xué)生對偏振光現(xiàn)象的認(rèn)識和理解，如圖6(b)所示.

(a)外觀

(b)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖6 偏振光實驗自動測量系統(tǒng)

4 系統(tǒng)測試與結(jié)論

將系統(tǒng)上電，儀器自檢，程序初始化后，在顯示屏上將出現(xiàn)各測試項目的系統(tǒng)提示[如圖6(a)所示]，通過按鍵操作可進(jìn)行馬呂斯定律驗證、布儒斯特角測定等基本偏振光現(xiàn)象研究的內(nèi)容，也可以在光路中加入1/4玻片、半玻片、方解石晶體等光學(xué)器件或蔗糖溶液[安放在圖6(b)中的圓形光學(xué)平臺上]進(jìn)行圓偏振光、雙折射和旋光現(xiàn)象等趣味性實驗的演示.

改進(jìn)后的儀器，實際使用效果與原型相比在以下幾個方面性能有顯著提高：

1)實驗數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定、可靠，實驗效率更高，對物理現(xiàn)象本質(zhì)的表現(xiàn)力更強(qiáng)；

2)系統(tǒng)對外界的抗干擾性更強(qiáng)，對外界光源和電壓波動等影響有強(qiáng)的抗干擾能力；

3)儀器充分實現(xiàn)了小型化和輕型化，有好的便攜性，能夠更好地適用于實驗教學(xué)和課堂輔助演示；

4)儀器在實驗內(nèi)容上引入了多種趣味實驗，豐富了偏振光的課堂教學(xué)演示內(nèi)容，對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和認(rèn)識光的本質(zhì)有較大幫助.

[1] 楊長銘,王陽恩,田永紅,等. 大學(xué)物理實驗[M]. 武漢：武漢大學(xué)出版社,2012:245-253.

[2] 喻秋山. 用偏振光測定折射率的實驗方法改進(jìn)[J].科技致富向?qū)?2011(32)：140,280.

[3] 劉玉賢. 橢圓偏振光旋轉(zhuǎn)特性實驗研究[J]. 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2009,30(2):237-240.

[4] 周朕,盧佃清,史林興. 硅光電池特性研究[J]. 實驗室研究與探索,2011,30(11)：36-39.

[5] 宋風(fēng)娟,付侃，薛雅麗. STC12C5A60S2單片機(jī)高速A/D轉(zhuǎn)換方法[J]. 煤礦機(jī)械，2010,31(6):219-221.

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[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Improvement of the polarization optics experiment system

WANG Pei-xiang, WANG Kun, HAN Li-bo, YU Qiu-shan

(School of Physics and Optoelectronic Engineering, Yangtze University,Jingzhou 434023, China)

As the SGP-2A-type polarization optics experiment system has many disadvantages, such as low precision, low efficiency and weak performance, the paper provided an improved system based on the microprocessor of STC12C5A60S2. The improved system adopted modular design, realized automated data collection, processing and display. It improved the measurement accuracy, test efficiency, data expressiveness and portability to better meet the needs of teaching in the experiment and presentations in class.

polarization optics; microprocessor; photoelectric detection; angular displacement

2015-04-07；修改日期：2015-05-06

長江大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(No.104892014305);長江大學(xué)教學(xué)研究項目(No.JY2014026)

王佩祥(1992-)，男，湖北黃岡人，長江大學(xué)物理與光電工程學(xué)院2011級本科生.

喻秋山(1977-)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，長江大學(xué)物理與光電工程學(xué)院講師級，碩士，研究方向為光電材料與器件應(yīng)用.

O436

A

1005-4642(2015)06-0019-04