光学衍射综合实验系统设计与制作

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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：The experimental system is adapted from the traditional rail-type instrument light intensity distribution on the basis of added to the original manual measurements on the basis of the stepper motor automatic control system will measure the real-time data sent to a computer for processing, and microcontroller programming. And independently developed a set of data processing, mapping, optical diffraction verified as one of the software. Experimental system manual and automatic measurement of dual-use in manual mode, you need to manual data processing and other operations; automatic mode, the highly automated, relying on the experimental system will be fully operating software for data acquisition, processing, mapping, and may be The data saved for later viewing.

Keywords:Diffraction; slit width; data acquisition; automation; stepping motor; data storage

1引言

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a

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，a

为缝宽，

x

为衍射区横坐标，

λ

为光波波长，

z

为衍射距离。

对于双缝，其最终光强度分布公式为：

式中，a

为缝宽，

d

为两缝中心距离，

λ为光波波长，z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2 130um缝宽，衍射距离，不同波长衍射图像对比

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：

测量终端控制核心液晶屏实时信息显示

步进单机传动模块

终端系统通

信模块

电脑软件数据处理、

作图、分析

光强度传感器

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

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

模数模数螺距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MITSUMI V8715单步脚为度的步进电机，电机每转动度，感光探头移动的距