實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)報(bào)告

1、光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（方案設(shè)計(jì)）報(bào)告課 程現(xiàn)代光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)題目物質(zhì)折射率測(cè)定實(shí)驗(yàn)評(píng)分學(xué)生姓名彭家琪 學(xué)號(hào) 0942052038學(xué)生姓名學(xué)號(hào)0942052039學(xué)生姓名學(xué)號(hào)0942052077學(xué)生姓名學(xué)號(hào)0942052078實(shí)驗(yàn)時(shí)間 地點(diǎn)分組電子信息學(xué)院專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)中心一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康慕Y(jié)合理論基礎(chǔ)與實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)光電的有機(jī)結(jié)合。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求（本實(shí)驗(yàn)需要做的事情）本課程是一門(mén)以實(shí)踐為主的綜合實(shí)驗(yàn)技術(shù)課，要求在已學(xué)過(guò)的波動(dòng)光學(xué)、數(shù)字電 路、模擬電路等相關(guān)基礎(chǔ)課、專(zhuān)業(yè)課和實(shí)驗(yàn)課的基礎(chǔ)上，提出一套實(shí)用的物質(zhì)折 射率測(cè)定方案，設(shè)計(jì)必要的光學(xué)系統(tǒng)和硬件電路，完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，物理信 號(hào)與硬件電路的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)

2、對(duì)物質(zhì)折射率的準(zhǔn)確測(cè)量。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案（根據(jù)題目及要求用語(yǔ)言和框圖的方式說(shuō)明硬件電路和控制軟件各部分的組成）1折射率檢測(cè)的原理分析 :我們小組希望能夠利用楊氏雙縫干涉來(lái)測(cè)量 物質(zhì)的折射率?？紤]獲得穩(wěn)定干涉條紋的三個(gè)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(dòng)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(huà)，觀察屏上的干涉條紋可能不容易檢測(cè)）。2檢測(cè)系統(tǒng)主要由四大功能模塊組成：光學(xué)檢測(cè)模塊，信號(hào)處理模塊，供電 模塊與功能擴(kuò)展模塊。系統(tǒng)功能框圖如下光學(xué)檢測(cè)模塊主要用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。四

3、象限探測(cè)器將探測(cè)到的光強(qiáng)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流信號(hào)，而我們需要的是電壓信號(hào)， 因此在進(jìn)行差分之前必須利用信號(hào)處理模塊中的前置放大電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化 為電壓信號(hào)。而差分放大電路用于實(shí)現(xiàn)對(duì)零級(jí)亮紋的準(zhǔn)確測(cè)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(kuò)展模塊主要用于對(duì)兩路差分輸出值實(shí)時(shí)顯示。3檢測(cè)系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)組成圖如下:光路搭建過(guò)程中的注意事項(xiàng)：激光束應(yīng)該盡量保持水行，要特別注意各個(gè)物理參 數(shù)的設(shè)定，以使干涉條紋達(dá)到最好的狀態(tài)，同時(shí)傳感器在屏幕上位置要做到盡量 的精確，這是決定探測(cè)精度的一個(gè)重要因素。同時(shí)如何選擇合適的傳感器也是決 定檢測(cè)精度至關(guān)重要的因素。4四象限探測(cè)器分為雪崩光電二極

4、管(APD)四象限探測(cè)器和PIN光電二極 管(PIN)四象限探測(cè)器。二種四象限探測(cè)器各有優(yōu)點(diǎn)，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(hào)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(hào)電路簡(jiǎn)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(cè)器的注意事項(xiàng)：1要選用那些對(duì)人眼不會(huì)有傷害的波長(zhǎng)范圍的波長(zhǎng)作為工作波長(zhǎng)。2由于四象限探測(cè)器受溫度的影響比較大，所以我們一般都讓四象限探測(cè)器 工作在恒溫的暗室里面。5I/V轉(zhuǎn)換電路：四象限探測(cè)器探測(cè)到光強(qiáng)并轉(zhuǎn)

5、化成相應(yīng)的電流信號(hào)，而我們需要的是電壓信號(hào)， 因此在進(jìn)行差分之前必須將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)。選擇運(yùn)算放大器AD8603 進(jìn)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(lái)實(shí)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(yùn)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(yùn)放。如果在理想的運(yùn)算放大器1端加電壓激勵(lì)uil,2端加電壓激勵(lì)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(jì)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(shí)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(dòng)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(xiàn)路電流太大。穩(wěn)壓三極管我們選擇了 LM7805，它的主要 特點(diǎn)是LM7805集成穩(wěn)壓三極管輸出電流可達(dá)1A,輸出