激光准直仪的设计性物理实验.pdf

第24卷 第5期 2004年5月 物 理 实 验 PHYSICS EXPERIMENTATION Vol 24 No 5 May 2004 收稿日期 2003211228 作者简介 黄水平 1965 男 江西丰城人 宁波大学理学院教师 硕士 主要从事光电检测和近代物理实验的研究 激光准直仪的设计性物理实验 黄水平1 胡德敬2 1 宁波大学 理学院 江苏 宁波315211 2 同济大学 物理系 上海200092 摘 要 介绍了激光准直仪的结构 工作原理及其在设计性物理实验中的应用 关键词 半导体激光器 准直仪 设计性实验 中图分类号 TH741 14 G642 423 文献标识码 B 文章编号 100524642 2004 0520031203 1 引 言 高校物理实验教学改革中 设计性实验和自 组实验的比例不断增加 1 3 为了丰富这方面的 内容 本文介绍激光准直仪及其在设计性物理实 验中的应用 所谓准直 即所考察的各个物体的中心或参 考点在同一直线上 随着工业的发展 要求准直的 场合 如大型工程的施工和设备的加工 安装 越 来越多 大型飞机 轮船设备的安装 大型发电机 转子的安装 大型机械设备各轴承孔的加工 地 铁 隧道 地下大型管道的施工等都需要准 直 4 5 2 激光准直仪的结构 本文介绍的激光准直仪由半导体激光器及电 源 小型单筒望远镜 孔径约1 cm的圆光阑 四象 限光电池 2个可正 负显示的小量程数字电压 表 导轨和3个调节架组成 如图1所示 其中 半 导体激光器用于产生红色激光 倒置望远镜用于 1 半导体激光器 2 望远镜 3 光阑 4 四象限光电池 5 数字电压表 图1 激光准直仪结构简图 对激光器发出的激光束进行扩束准直 如图2所 示 圆光阑可起到控制光斑直径大小及获得近似 的轴对称圆光束的双重作用 6 7 四象限光电池 用于检测激光束中心相对其中心的位置 激光准 直仪检查导轨的平直度的原理 由可见红光的半 导体激光器配上单筒望远镜及合适孔径的圆光 阑 经调节可形成一束与导轨轴平行且有一定截 面积大小的基准光束 实验表明 从光阑射出的轴 对称圆光束在强度和光强分布上均能满足本文所 介绍实验的要求 光路调节好后 当装有四象限光 电池的调节架在导轨上由近及远 或相反 移动 时 可由照在四象限光电池上光斑的上下 左右偏 移而引起2个电压表读数正负和大小的变化来检 验导轨是否有高低起伏或扭曲 图2 倒置望远镜对激光束的准直 3 该仪器和实验的特点 1 仪器中的通用部件多 专用性部件少 只有 望远镜专用性强一些 其余部件在需要时均可另 作它用 这样投资少 零部件使用率高 2 实验中 对每一个部件的特性及正确使用 方法等都可提出相关问题 供学生思考 这些问题 较适合学生水平 如果学生学过普通物理 这些问 题不难解决 如未学完普通物理 教师给予提示 学生也可解决 不同部件的问题 对学生培养的侧 重点也不相同 3 对于实验技能的培养也有较高的要求 既 要求学生探索光路同轴调节技术 而不是一般的 简单调节 4 本实验对学生创新意识和能力的培养 4 1 要求学生通过发散思维提出较多的测量半 导体激光波长的方法 发散思维就是要学生运用所学知识或查阅资 料 通过自已的积极思考 从不同角度 运用不同 方法提出尽可能多的测量波长的方法 只要求有 解决问题的可能性 不一定现在就能解决问题或 有很好的结果 只有在这种宽松的条件下 思维容 易活跃 众多的方案才能出现 从而才有可能通过 逻辑思维进行比较 分析或实践检验 得到最佳方 案 这是做好工作和从事科研的基本方法 通过本 实验可使学生更熟悉这一方法 下面列举几种测 量半导体激光波长的方法 1 用牛顿环实验来测波长 设dm dn分别为 钠光灯条件下 第m和第n环暗条纹的直径值 钠光灯波长为5 893 10 4 mm Dm Dn分别为 半导体激光照射时的第m和第n环暗条纹的直 径值 则半导体激光波长为 5 893 10 4 D2m D2n d2m d2n mm 2 用劈尖干涉法来测波长 设L1 L2分别表 示在钠光和半导体激光照射下 劈尖上表面测得 的暗条纹间距值 则半导体激光波长为 L2 L1 5 893 10 4 mm 3 用双缝干涉法来测量波长 设两狭缝间距 为s 狭缝平面到干涉条纹平面间距为D 双缝干 涉条纹间距为d 则半导体激光波长为 s d D 4 利用菲涅耳双镜和洛埃镜也可测激光波 长 因篇幅所限这里不作展开 5 利用单缝衍射法来测波长 设a为单缝缝 宽 中央主极大同侧的两相邻衍射暗条纹间距为 s 狭缝平面到衍射条纹平面间距D较大时 则半 导体激光波长为 s a D 6 用衍射光栅在分光计上测量 则激光波长 为 d sin K 式中d为光栅常量 K为衍射条纹级数 为K 级条纹对应的衍射角 7 用衍射光栅直接测量 设d为光栅常量 激光垂直入射于光栅 在离光栅距离为D的较远 的屏上或墙上可看到各级衍射光点 各衍射光点 间距为s 则波长为 d s D 由于半导体激光相干性较差 因此干涉条纹 质量不够理想 相比较用光栅进行直接测量是最 方便的 效果也最好 4 2 要求学生用望远镜来减小半导体激光束的 发散角 半导体激光束的发散角较大 学生可运用所 学过的几何光学知识或边实验边分析 得出用望 远镜改善半导体激光束发散角的理论根据和使用 方法 望远镜分开普勒望远镜和伽利略望远镜 前 者物镜和目镜均是凸透镜 望远时两透镜的焦点 在筒中重合 后者物镜是凸透镜 目镜是凹透镜 望远时目镜的虚焦点和物镜的实焦点在目镜一侧 的筒外重合 有利于缩短筒长 望远镜的放大原理 是像方视角大于物方视角 放大倍数K f1 f2 f1和f2分别为物镜和目镜焦距 为了减少发散 角 应该把望远镜倒向使用 让激光束从目镜中射 入 物镜中射出 则发散角可以减小K倍 学生可 通过作图来证明 使用时 望远镜应调焦到无穷 远 即物镜和目镜共焦 4 3 要求学生自已检查四象限光电池的质量 四象限光电池是由4块紧密靠近的光电池构 成 由于设计和生产的特殊性 4块光电池的特性 应相同 特别是在入射光通量相同时输出电压应 相同 在实验中学生应能自已检查 方法很简单 首先用万用表直流低电压挡判断光电池的正 负 极 通常光电池的背面是正极 4个光电池的正极 是互连的 而受光面是负极 各个负极是独立的 只要在相同的光照条件下 如在远离日光灯或白 炽灯的照明条件下 可看作稳定和均匀的光照 此 23 物理实验 第24卷 时用万用表分别测量各光电池输出电压的大小 如读数相同或很接近 说明光电池可用于实验 要 得到一个面积较大而光照均匀的半导体激光光斑 并不容易 用普通光源来检查效果相同且方便 4 4 要求学生把2个数字电压表正确地和四象 限光电池连接 该步骤是为了实验时由电压表的读数来判断 准直光斑偏离光电池中心的方向和大小 光电池在光照时都有电压输出 光电池相当 低电压直流电源 4个光电池相当于4个独立的 直流电源 但它们的背面正极是互连的 如何接入 2个电压表才能正确反映光斑的二维偏移 学生 只要在纸上画画 对不同接法分析比较 就可得出 结论 在第一 第三象限光电池的负极之间接上数 字电压表 其正 负极分别接到第一和第三象限光 电池的负极 如果激光准直光斑偏离光电池中心 使照在第三象限光电池上的光通量比照在第一象 限光电池上的光通量要大 则第三象限光电池输 出电压大 由于正极是互连的 那么第三象限光电 池负极电位比第一象限光电池负极电位要低 于 是电流从第一象限光电池流向第三象限光电池 电压表读数为正 如果照在2个光电池上的光通 量和上述情况相反 则电压表显示负值 光斑偏离 中心越远 电压绝对值也越大 第二象限和第四象 限光电池和另一个数字电压表接法类似 由2个 数字电压表读数的正负和大小 可综合判断光束 偏离光电池上 下 左 右的情况 换言之 也就是 四象限光电池偏离准直光束中心的情况 4 5 要求学生在导轨的调节架上 把半导体激光 束调节在过导轨轴的铅直平面内且与导轨 轴平行 把半导体激光器 望远镜和四象限光电池装 在调节架的夹具上 在导轨上不可能马上用来做 实验 必须把准直用的基准光束调好 也就是要使 半导体激光束位于过导轨轴的铅直平面内且和导 轨轴平行 要做到这一点并不容易 学生应在纸上 画画 思考如何用四象限光电池来回移动来判断 激光束方向是偏高或偏低 偏左或偏右 应如何正 确 快速调节 事实上 只要仔细分析思考 调节还 是有规律可循 先把四象限光电池靠近激光器 目 测调节两者等高 同轴 并使激光束射在四象限光 电池中心 再移动光电池到导轨另一端 观察光点 位置 如在过光电池中心的水平线上偏左 说明此 时激光束方向和光电池的中心相对导轨均偏左 则应调节激光束 使光点过光电池中心偏右 如光 点原来偏左多 则调节时偏右移动也应多一些 但 偏右的绝对值应比原来偏左的少得多 之后 把光 电池移向近激光器一端 此时光点偏离较少 和远 端情况相反 光点位于光电池中心右侧 接下来 应该移动光电池 使光点位于光电池中心 再重复 移动光电池到远端 如光点对光电池中心仍有偏 离 调节方法同上类似 只要反复调节2 3次 就 能把激光束方向调好 垂直方向调节类似 一般情 况是2个方向都有偏离 只要上下 左右一起调节 即可 原则是 光电池移向远端 光点有偏离 应调 节激光束方向 光电池移向激光器 光点有偏离 应移动光电池 调节时往往需要 矫枉过正 掌握 这一原则 光路就能较快调节好 5 结束语 综上所述 本实验在培养学生发散思维 逻辑 思维 动脑动手和综合运用知识能力等方面是一 个很好的载体 参考文献 1 曹国飞 张璞扬 关于设计性物理实验的几个问题 J 物理实验 1998 18 3 33 34 2 沙振舜 冯小宁 设计性实验 CAI与素质教育 J 物理实验 2001 21 1 26 27 3 张亚妮 王较过 优化设计性实验教学 培养学生的 科学素质 J 物理实验 2002 22 10 22 24 4 胡德敬 谢嘉祥 曹正东 设计性物理实验集锦 创新教育之实践 M 上海 上海教育出版社 2002 94 98 5 史锦珊 郑绳楦 光电子学及其应用 M 北京 机械 工业出版社 1991 272 278 6 王世华 周卫东 周肇飞 半导体激光器的准直技术 J 应用激光 1992 12 4 178 179 7 翁开华 刘金清 激光准直系统的设计 J 福建师范 大学学报 自然科学版 2001 17 2 35 38 下转第36页 33第5期 黄水平 等 激光准直仪的设计性物理实验 a 功率未达到最大 b 功率达到最大 图3 在声透镜焦点处喷起的水柱 3 3 在同一电功率情况下 对聚焦系统的非焦 点处液面上的液包变化 将水面放在距声透镜表面8 0 cm 8 5 cm 9 0 cm处 即在焦距之内 可得到液面上不同高 度的液包小喷泉 如图4所示 可看出在聚焦声透 镜的轴线上各横截面上所喷起的液包小喷泉各不 相同 说明距焦点越近 中心声强越大 其喷泉 水柱越集中 高度越高 由于条件所限未能摄影 只有用绘图来描述所观察到的实验现象 a 8 cm处 b 8 5 cm处 c 9 cm处 图4 距声透镜表面不同处喷起的液包所显示的声场分布 在该演示系统中 还可演示聚焦声束在液面 上被反射后的超声引起的斜喷射液柱现象 在此 不再描述 参考文献 1 郭孝武 看得见的超声波演示实验 J 物理实验 1999 19 1 38 39 2 郭孝武 超声场分布的演示实验 J 物理实验 2001 21 2 11 13 Qualitative demonstration of ultrasonic intensity GUO Xiao2wu Applied Acoustics Institute Shaanxi Normal University Xi an 710062 China Abstract The ultrasonic propagation in medium can cause the particle to vibrate intensively and con2 sequently change at interface may take place The changes of eruptive vacuole in the focus2plane ultrasonic field and the ultrasonic field in the corresponding interacting surface are given Key words ultrasonic intensity vacuole 上接第33页 Laser collimator and its application in design physics experiments HUANG Shui2ping1 HU De2jing2 1 Faculty of Science Ningbo University Ningbo 315211 C