多功能夫琅禾费衍射演示仪的研制

林 垚，王兴林，王胜斌，刘 慧，王明吉，刘丽群

（东北石油大学，黑龙江大庆 163318）

多功能夫琅禾费衍射演示仪的研制

林 垚，王兴林，王胜斌，刘 慧，王明吉，刘丽群

（东北石油大学，黑龙江大庆 163318）

针对目前国内夫琅禾费衍射演示仪存在的问题，研制了一种“多功能夫琅禾费衍射演示仪”，实现了26种衍射缝的夫琅禾费衍射的演示实验及相应的计算机（变参数）模拟仿真实验，具有演示与仿真一体化、演示种类多、演示效果明显，自动快速、使用方便、功能多样等特点，能够满足光学课程对夫琅禾费衍射进行演示实验的要求。

夫琅和费衍射；演示仪；单片机；仿真模拟

光的干涉和衍射是揭示光的波动性的重要实验现象，夫琅禾费衍射又是其重要内容之一，在生产和生活中的应用十分广泛［1］。由于目前光学课程的教学学时日趋紧张，加之波动光学的理论比较抽象、难以理解，因此在课堂教学中，采用相应的演示实验进行辅助教学是提高课堂教学效率和质量的重要措施之一。然而，目前市售的夫琅禾费衍射演示仪普遍存在手动调整光路、演示效果不佳、衍射屏种类少、功能单一等缺点，不能满足课堂教学需要。

为彻底解决上述问题，本项目研制了一台“多功能夫琅禾费衍射演示仪”。该仪器以半导体激光器为光源，以OS-8453衍射缝盘为衍射屏，采用微机、单片机和步进电机联合控制的方式，实现多种衍射屏的自动夫琅禾费衍射演示实验，同时，在微机上还可以同步给出相应衍射屏的Matlab仿真实验结果和有关理论公式［2－4］。

1 系统构成及各部件的功能

本文所研制的“多功能夫琅禾费衍射演示仪”主要由稳压电源、半导体激光器、狭缝盘、计算机、单片机、步进电机等组成，见图1。

图1 仪器构成及结构示意图

半导体激光器作为系统的光源，提供20 m W、650 nm的激光输出；系统的衍射屏采用Pasco的两块OS-8453衍射盘［5］，两个衍射盘的外观相同，但狭缝不同，一个为单缝盘，另一个为多缝盘。它们可以为系统提供多种不同形状、不同参数的衍射缝，为该仪器能够完成多种夫琅禾费衍射实验提供了可靠保证。OS-8453衍射盘的形状、结构以及各种缝的具体参数，见图2和表1。

图2 OS-8453衍射盘

计算机作为系统的上位机，主要完成两部分工作。第一是通过串口和MSC控件向单片机发送单字节串行指令，各指令与狭缝对应关系，如表1所示，采用Visual Basic编程。第二是实现衍射图样仿真模拟，即根据相应的理论公式，用Matlab在计算机屏幕上绘制出相应衍射缝的衍射图样和光强分布曲线，并可实现变参数仿真模拟。

表1 上位机命令与衍射盘上狭缝对应关系

单片机采用89C52，作为下位机，采用C语言编程。主要负责仪器的初始化、判断当前仪器是否与计算机相连、响应来自计算机的串行指令，驱动步进电机旋转相应角度，实现对狭缝盘的精确控制。程序流程见图3。

图3 程序流程图

步进电机采用35BYG48HJ30B，在其转动轴上安装狭缝盘，在单片机的控制下实现不同方向和角度的转动。

2 系统的工作过程、功能及特点

当需要进行某种衍射缝的夫琅禾费衍射实验时，根据表1，通过计算机给单片机下达相应的指令。根据此指令，单片机即可驱动步进电机向特定方向旋转某一角度，从而使狭缝盘上的相应衍射缝与激光束对准，此时，在接收屏上即可看到该衍射缝的衍射图样，见图4。与此同时，在计算机屏幕上给出该缝夫琅禾费衍射的衍射图样、光强分布曲线及其立体图、及相应的理论公式，见图5。另外，还可以进行变参数的仿真模拟。

图4 单狭缝的夫琅禾费衍射图样

图5 计算机仿真实验

该仪器实现了26种衍射缝的夫琅禾费衍射的演示实验及相应的计算机（变参数）模拟仿真实验，具有演示与仿真一体化、演示种类多、演示效果明显，自动快速、使用方便、功能多样等特点。

3 结 论

本文所研制的“多功能夫琅禾费衍射演示仪”，除了可以实现26种衍射缝的夫琅禾费衍射的演示实验外，还可以进行相应的计算机（变参数）模拟仿真实验，具有演示与仿真一体化、演示种类多、演示效果明显，自动快速、使用方便、功能多样等特点，能够满足光学课程对夫琅禾费衍射进行演示实验的要求。

［1］ 游璞.光学［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］ 孙光东.对夫琅禾费圆孔衍射场基本特征的讨论［J］.辽宁师范大学学报，2005（6）：13-16.

［3］ 厉江帆.夫琅禾费衍射公式的一般形式［J］.大学物理，2003（11）：54-57.

［4］ 李多.六角孔的夫琅和费衍射场的实验演示［J］.物理实验，2010（6）：61-63.

［5］ http：／／pasco.com／Support／Documents／English／OS／OS-8453／012-10350A

Development of Multi-function Fraunhofer Diffraction Demonstrating Instrument

LIN Yao，WANG Xing-lin，WANG Sheng-bin，LIU Hui，WANG Ming－ji，LIU Li-qun

（Northeast Petroleum University，Heilongjiang Daqing 163318）

Considering the existing problems of the demonstration of Fraunhofer diffraction，we designed and made the multi-functional Fraunhofer diffraction demo instrument which realized the demonstrations of 26 different kinds of diffractions and corresponding computer simulations.The instrument can meet the demand of classroom demonstration about Fraunhofer diffraction with many advantages，such as varied and good demonstrations，automatic and fast computer control.In addition，its integration of demonstration and simulation make it convenient for classroom use.

fraunhofer diffraction；demo instrument；single chip micr-computer；simulation

O436.1

A

1007-2934（2011）06-0049-03

2011-01-25

2009年国家大学生创新性实验计划项目资助