實驗方案設(shè)計報告

1、光學(xué)設(shè)計實驗（方案設(shè)計）報告課 程現(xiàn)代光學(xué)設(shè)計實驗實驗題目物質(zhì)折射率測定實驗評分學(xué)生姓名彭家琪 學(xué)號 0942052038學(xué)生姓名學(xué)號0942052039學(xué)生姓名學(xué)號0942052077學(xué)生姓名學(xué)號0942052078實驗時間 地點分組電子信息學(xué)院專業(yè)實驗中心一、實驗?zāi)康慕Y(jié)合理論基礎(chǔ)與實際應(yīng)用，實現(xiàn)光電的有機結(jié)合。二、實驗內(nèi)容及要求（本實驗需要做的事情）本課程是一門以實踐為主的綜合實驗技術(shù)課，要求在已學(xué)過的波動光學(xué)、數(shù)字電 路、模擬電路等相關(guān)基礎(chǔ)課、專業(yè)課和實驗課的基礎(chǔ)上，提出一套實用的物質(zhì)折 射率測定方案，設(shè)計必要的光學(xué)系統(tǒng)和硬件電路，完成光電信號的轉(zhuǎn)換，物理信 號與硬件電路的有機結(jié)合，實現(xiàn)

2、對物質(zhì)折射率的準(zhǔn)確測量。三、實驗設(shè)計方案（根據(jù)題目及要求用語言和框圖的方式說明硬件電路和控制軟件各部分的組成）1折射率檢測的原理分析 :我們小組希望能夠利用楊氏雙縫干涉來測量 物質(zhì)的折射率?？紤]獲得穩(wěn)定干涉條紋的三個必要條件：1，兩束光波的頻率 應(yīng)當(dāng)相同；2,兩束光波在相遇處的振動方向應(yīng)當(dāng)相同；3,兩束光在相遇處 應(yīng)有固定不變的相位差。所以我們選用了具有很高相干性的YAG激光器作為 光源（而如果選用普通光源的話，觀察屏上的干涉條紋可能不容易檢測）。2檢測系統(tǒng)主要由四大功能模塊組成：光學(xué)檢測模塊，信號處理模塊，供電 模塊與功能擴展模塊。系統(tǒng)功能框圖如下光學(xué)檢測模塊主要用于將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。四

3、象限探測器將探測到的光強轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流信號，而我們需要的是電壓信號， 因此在進行差分之前必須利用信號處理模塊中的前置放大電路將電流信號轉(zhuǎn)化 為電壓信號。而差分放大電路用于實現(xiàn)對零級亮紋的準(zhǔn)確測量。供電模塊用于給前置放大電路以及差分放大電路提供電源。功能擴展模塊主要用于對兩路差分輸出值實時顯示。3檢測系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)組成圖如下:光路搭建過程中的注意事項：激光束應(yīng)該盡量保持水行，要特別注意各個物理參 數(shù)的設(shè)定，以使干涉條紋達到最好的狀態(tài)，同時傳感器在屏幕上位置要做到盡量 的精確，這是決定探測精度的一個重要因素。同時如何選擇合適的傳感器也是決 定檢測精度至關(guān)重要的因素。4四象限探測器分為雪崩光電二極

4、管(APD)四象限探測器和PIN光電二極 管(PIN)四象限探測器。二種四象限探測器各有優(yōu)點，雪崩光電二極管信噪比 較高，工作電壓一般為150V-350V，受溫度影響高，信號電路復(fù)雜。而PIN光電 二極管信噪比較低，工作電壓一般為10-15V(0.85um)60V-80V(1.06um)， 受溫度影響低，信號電路簡單可靠。所以綜合考慮后我們選用1.06um的PIN光 電二極管。選擇四象限探測器的注意事項：1要選用那些對人眼不會有傷害的波長范圍的波長作為工作波長。2由于四象限探測器受溫度的影響比較大，所以我們一般都讓四象限探測器 工作在恒溫的暗室里面。5I/V轉(zhuǎn)換電路：四象限探測器探測到光強并轉(zhuǎn)

5、化成相應(yīng)的電流信號，而我們需要的是電壓信號， 因此在進行差分之前必須將電流信號轉(zhuǎn)化成電壓信號。選擇運算放大器AD8603 進行I /V轉(zhuǎn)換。VO = - ( IsRf + I1R1) = - ( IsRf + IsR1 + I2R1)= - ( IsRf + IsR1+ IsRfR1/R2)= - Is( Rf + R1 + R1Rf/R2)取 R1=5K。RF=1K。R2=1K。由式可知，可以調(diào)節(jié)R1與日2的比值來實現(xiàn)所需要的放大倍數(shù)，而不需要將反饋電 阻Rf設(shè)得太大，這樣就減小了噪聲的干擾。運算放大器AD8603是單路、微功耗、軌到軌輸入和輸出放大器，具有極低的 失調(diào)電壓以及低輸入電壓和電

6、流噪聲特性。6差分放大電路根據(jù)與I/V轉(zhuǎn)換電路中放大器的選擇一樣的原則，我們選擇了 LM324作為集成運放。如果在理想的運算放大器1端加電壓激勵uil,2端加電壓激勵ui2，則由虛短虛斷得Up =Un , liOo則有I1 =I4 ,( Ui1 - Un )/R1 = ( Un - Uo ) /R4 (1)I2 = I3 , ( Ui2 - Up ) /R2 = Up/R3 (2)由此可以解得I2 = Ui2/ (R2+R3) (3) 將Up = Un = I2R3 =R3Ui2 /(R2+R3)帶入式(1)有I1 =1 /R1 Ui1 - R3 (R2+R3 ) /Ui2 = 1/R1Ui 1-R3/R1/ (R2 +R3 ) Ui2R1=R2=R3=R4=10KQ7電源部分的設(shè)計輸入電容C1、C2用于抑制紋波電壓，輸出電容C3、C4用于消振，緩沖沖擊性負(fù)載，保證電路工作穩(wěn)定。同時由于輸出電容C3、C4的存在，容易發(fā)生電 容放電而損壞穩(wěn)壓器，RV1和RV2是滑動變阻器，可以調(diào)節(jié)輸出的電壓。R1和 R2是限流電阻，防止線路電流太大。穩(wěn)壓三極管我們選擇了 LM7805，它的主要 特點是LM7805集成穩(wěn)壓三極管輸出電流可達1A,輸出