自动控制波动光学演示仪

摘要

本发明属于物理教学和科普仪器技术领域，具体涉及一种自动控制波动光学演示仪，包括框架、外壳、双色激光源、转筒、减速电机、偏振光源、旋转偏振片、偏振电机、线阵CCD横移组件以及磁性标尺；本装置集成程度高，一台仪器可以演示单缝衍射、单丝衍射、小孔衍射、双缝多缝干涉、一维光栅衍射、二维光栅衍射、偏振等多种波动光学内容。

说明书

技术领域

本发明属于物理教学和科普仪器技术领域，具体涉及一种自动控制波动光学演示仪。

背景技术

光的波动性是是大、中学物理课程教学和面向公众科普的一个重要组成部分，因而光学实验器材在教学和科普中得到了广泛应用。但是，随着社会和科技的发展，各项工作中人力成本显著提高，尤其在科普场馆和物理演示实验室中，随着开放时间的增加，给工作人员增添了一定的工作压力，导致仪器维护成本增高，使用率降低。现有技术都需要人工调节，演示过程操作需要一定技术基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自动控制波动光学演示仪，以解决背景技术中存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种自动控制波动光学演示仪，其特征在于：包括框架、外壳、双色激光源、转筒、减速电机、偏振光源、旋转偏振片、偏振电机、线阵CCD横移组件以及磁性标尺；所述双色激光源安装在从框架右侧向左延伸的双色光源横梁上，所述减速电机安装在框架左侧，所述转筒为横向放置的带底的圆筒，底部同轴与减速电机轴固定，筒壁在不同的辐射角安装有单缝组件、单丝组件、小孔组件、双缝多缝组件、一维光栅组件、正交光栅组件中的一种，所述偏振光源安装在横贯框架的偏振光源横梁上，与双色激光源发光方向平行，指向仪器前方，旋转偏振片安装在偏振光源正前方且与源处于同轴位置，偏振光源横梁下安装有偏振电机，偏振电机通过联轴器连接并驱动旋转偏振片；所述线阵CCD横移组件包括一套双光轴横移轨道，双光轴横移轨道上装有滑台，滑台上装有线阵CCD，滑台电机通过同步带驱动滑台带动线阵CCD左右横向移动；所述框架外装有不透光的外壳，其中前部的外壳正对双色激光源和偏振光源照射的位置开有上下长的孔，保证干涉、衍射和偏振光全部可以投射出壳外；磁性标尺正面有刻度，吸在黑板上。

优选地，所述转筒侧面装有挡光条，对应框架的位置装有光电限位开关。转筒转动一周，挡光条经过一次限位开关。

优选地，所述旋转偏振片为外环固定在框架上，内环装有偏振片，内环可在偏振电机通过联轴器的驱动下绕偏振光源的光轴旋转。

优选地，所述滑台上装的挡光条，框架相应位置装有光电限位开关，滑台横向移动时挡光条会经过限位开关。

本发明的有益效果是：1、集成程度高，一台仪器可以演示单缝衍射、单丝衍射、小孔衍射、双缝多缝干涉、一维光栅衍射、二维光栅衍射、偏振等多种波动光学内容；

2、自动化程度高，可以通过按钮、手机、电脑、或触措屏控制，自动演示，一旦校准后不用人工调节。

3、通过单片机等电子技术，实现自动演示和延时自动关机，即无人操作情况下，可设定一定时间(如三分钟)后关机。

4、仪器底部和后部均装有底脚，可以采用平放和立式两种方式工作。立式时，将光投向顶棚，即节约空间，又保证了激光使用的安全。

5、使用WIFI或红外无线通信，可视化界面，操作简洁，方便易懂，简化电路接线，数据传送方便。

附图说明

图1为本发明的一个方向立体图；

图2为本发明的第二种方向立体图；

图3为本发明的第三中方向图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-3所示，一种自动控制波动光学演示仪，包括框架1、外壳、双色激光源2、转筒3、减速电机4、偏振光源5、旋转偏振片6、偏振电机7、线阵CCD横移组件以及磁性标尺；

所述框架构成了装置的外部轮廓，所有部件安装在框架以内。双色激光源安装在从框架右侧向左延伸的双色光源横梁8上。减速电机安装在框架左侧，转筒与减速电机轴同轴固定。偏振光源安装在横贯框架的偏振光源横梁9上，旋转偏振片安装在偏振光源正前方且与源处于同轴位置。偏振光源横梁下安装有偏振电机，偏振电机通过联轴器连接并驱动旋转偏振片。线阵CCD模块安装在框架的前上方。

所述双色激光源为双光束平行与准直调节装置(公开号CN104570375B)。

转筒为横向放置的带底的圆筒，底部同轴地与减速电机轴固定，筒壁在不同的辐射角安装有单缝组件、单丝组件、小孔组件、双缝多缝组件、一维光栅组件、正交光栅组件等光学元件10。其中，单缝组件为一块不透明薄板上横向平行切割出五条宽度不同的狭窄透光缝。单丝组件为透明框架内横向平行安装不同直径的不透明细丝。小孔组件为一块不透明薄板上分布有多对不同状的孔，每一对孔为横向等距离并列的两个相同孔，纵向平行排列多对，孔的开关包括直径不同的大圆孔、小圆孔，三角孔，正方形孔，长方形孔。双缝多缝组件为在胶片上印制出缝宽相同但间距和条数不同的双缝或多缝组合，包括间距不同的多组双缝，间距相同的双缝、三缝、五缝。一维光栅组件由多块不同光栅常数的透射光栅按同方向拼接组成。正交光栅为透明底板上纵向排列多个正方形网格区域，每个区域内的网格线间距与其他区域不同。

转筒侧面装有挡光条，对应框架的位置装有光电限位开关11。转筒转动一周，挡光条经过一次限位开关。

偏振光源为经过扩束的激光或普通具有方向性的光源，与双色激光源发光方向平行，指向仪器前方。

偏振光源前端紧靠光源装有作为起偏器的光源偏振片，在其出射光路上装有作为检偏器的旋转偏振片。旋转偏振片为外环固定在框架上，内环装有偏振片，内环可在偏振电机通过联轴器的驱动下绕偏振光源的光轴旋转。

线阵CCD横移组件包括一套双光轴横移轨道12，轨道上装有滑台13，滑台上装有线阵CCD 14，滑台电机15通过同步带驱动滑台带动线阵CCD可以左右横向移动。滑台上装的挡光条，框架相应位置装有光电限位开关，滑台横向移动时挡光条会经过限位开关。

仪器框架外装有不透光的外壳，其中前方外壳正对双色激光源和偏振光源照射的位置开有上下长的孔，保证干涉、衍射和偏振光全部可以投射出壳外。外壳上标有激光照射的光学元件的位置和CCD位置。外壳上装有电源插座、总开关、红外发射头。

外壳底部和后方均装有底脚，可平放(向前投出光)和立式(向上投出光)两种方式使用。

磁性标尺正面有刻度，可吸在黑板上。

电气控制组件包括主控制器，WIFI模块，减速电机驱动器、滑台电机驱动器、偏振电机驱动器，以及直流电源、开关、导线和红外发射头，并配备遥控器。

直流电源通过总开关输入主控制器，主控制器以转筒限位开关信号为起始点控制转筒电机转到某一角度使双色光源照射到某一光学组件，产生干涉或衍射现象；以滑台限位开关为起始点控制滑台电机带动滑台和线阵CCD横向运动，当运动到衍射光投射位置时停下，同时启动CCD软件进行测量和显示；偏振电机驱动器控制偏振电机每转过90度停一下。

本仪器装置，有两种操作方式。一是通过红外遥控器进行操作，二是通过手机或电脑进行操作。

1、红外遥控器操作

遥控器通过仪器上的红外接收射头进行无线通信。当按下遥控器按键后，仪器上的红外接收头会接收信号并做出对应的操作。具体操作如下：

(1)打开主机电源

(2)按下按键1后，仪器会自动复位。

(3)按下按键2后，仪器会自动运行，即双色激光点亮，转筒上的光学元件走到指定位置并且在指定位置处停留3-5秒，随后转筒会转动到下一个光学元件处停留，直到全部光学元件都经过即干涉、衍射功能全部演示完成后停止，关闭双色激光。

(4)按下按键3后，仪器会单步运行，即按下按键双色激光点亮，每按一次按键，转筒旋转一个位置，激光照亮一个干涉或衍射单元，再次按下按键后，转筒转动到下一个光学单元处停止并投射出干涉或衍射现象。

(5)按下按键4后，ccd装置会移动到光路中自动测量干涉或衍射条纹宽度，再次按下后，ccd装置移动到初始位置处，干涉衍射现象再次投出仪器，可在黑板或墙壁上观看现象。此时可以用磁性标尺吸在黑板上来定量测量。

(6)按下按键5后，偏振光源点亮，旋转偏振片旋转90°，投出的光由亮变暗；再按一次按键5，旋转偏振片再旋转90°，投出的光由暗变亮。

(7)按下按键6，或者3分钟无操作指令后，仪器处于休眠状态，在这个状态下，仪器不会工作，同时接收不到其他按键指令。再次按下后，仪器可以正常工作。

2、手机或电脑操作：

手机或电脑通过WiFi与仪器装置进行远程通信。通过在网页界面控制仪器实现演示光的干涉，衍射，偏振等实验现象，同时在电脑端可以使用ccd对干涉与衍射现象进行数据测量。具体操作如下：

(1)打开仪器电源。

(2)在手机或者电脑上打开浏览器输入IP地址，打开操作界面。

(3)按下界面上的按键后会实现对应功能，具体步骤同红外遥控器操作(2-7)步。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。