CN111707383A - 一种基于霍尔效应的双棱镜干涉实验测量装置 - Google Patents

一种基于霍尔效应的双棱镜干涉实验测量装置 Download PDF

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易志军
张伦
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Abstract

本发明公开了一种基于霍尔效应的双棱镜干涉实验测量装置，包括激光器、第一凸透镜、位移处理显示系统、通电线圈、光电探测器、霍尔传感器、滑座、第二凸透镜、轨道和双棱镜；所述激光器、第一凸透镜、双棱镜、第二凸透镜和光电探测器五个光学元件依次排列在轨道上，并处于同一光轴线上；霍尔传感器与光电探测器连接，霍尔传感器放置在两块平行通电线圈中间，移动光电探测器时带动与其连接的霍尔传感器一同移动，则霍尔电压发生变化；位移处理显示系统与霍尔传感器连接，将霍尔电压的变化转化为光电探测器的位移数值显示出来。本发明可以使得光路共轴调节直观可见，实现对干涉条纹间距的自动测量，也使得测量干涉条纹间距更方便和准确。

Description

一种基于霍尔效应的双棱镜干涉实验测量装置
技术领域
本发明涉及一种光学实验测量仪器，具体是一种基于霍尔效应的双棱镜干涉实验测量装置。
背景技术
现有双棱镜干涉实验可以测量光波波长，相关公式为
Figure 148638DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 649283DEST_PATH_IMAGE004
为相邻干涉条纹间距离，d为两虚光源间距离，D为虚光源到接收屏距离。实验中要调节各元件同轴等高，要记录各元件相对位置。传统实验装置是采用人眼粗略校对调整光路共轴，不够方便和直观；传统滑块横向调节功能容易损坏；暗光条件下，记录元件刻度位置也有一定的不便；且靠人工读数方法记录干涉条纹的相对位置，进而计算得到
Figure 746683DEST_PATH_IMAGE004
，但仪器上所使用的记录光电探测器位移的一维滑座系统，因长期使用，尺刻度磨损或主副尺位置偏差，导致读数容易出错，最后导致实验结果偏差很大。此外，传统仪器中单独还配有接收光屏，便于接收初期实验现象，后续测量过程中需要和光电探测器交换使用，替换过程繁琐。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于霍尔效应的双棱镜干涉实验测量装置，自动完成对光电元件位移的测量，即实现对Δx的测量，使得共轴调节更方便和更直观可见。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于霍尔效应的双棱镜干涉实验测量装置，包括激光器、第一凸透镜、位移处理显示系统、通电线圈、光电探测器、霍尔传感器、滑座、第二凸透镜、轨道和双棱镜；所述激光器、第一凸透镜、双棱镜、第二凸透镜和光电探测器五个光学元件依次排列在轨道上，并处于同一光轴线上，所述轨道上划分有刻度线；所述激光器、第一凸透镜、双棱镜、第二凸透镜下端分别通过一支撑杆固定在一滑块上，每个滑块都横嵌在轨道上，能够在轨道上横向移动并通过紧固螺丝固定相对位置，所述光电探测器通过一支撑杆连接在滑座内的丝杠上，所述滑座设置有丝杆并配有调节旋钮，扭动调节旋钮转动丝杆，使光电探测器垂直于轨道纵向移动；所述滑座横嵌在轨道上，能够在轨道上横向移动并通过滑座固定螺丝固定相对位置；所述霍尔传感器与光电探测器连接，霍尔传感器放置在两平行通电线圈中间，移动光电探测器时与带动其连接的霍尔传感器一同移动，霍尔传感器在磁场的位置发生改变，其所处不同位置的磁场强度也不同，则霍尔电压发生变化；所述位移处理显示系统与霍尔传感器及光电探测器连接，将霍尔电压的变化量转化为光电探测器的位移数值显示出来；
霍尔电压变化量与光电探测器位移变化量之间的关系如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
式中：△x: 光电探测器位移变化量；△
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
：霍尔电压变化量；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
：霍尔灵敏度;
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
: 霍尔元件的工作电流;m=
Figure DEST_PATH_IMAGE014
,N为线圈匝数;n=
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，I为线圈中电流。
采用上述技术方案的有益效果是：相比较现有技术肉眼读刻度尺计数的方法，本发明采用霍尔传感器与光电探测器相连，霍尔传感器在两平行放置的通电线圈之间，移动光电探测器时，霍尔传感器同时移动，使得霍尔传感器在磁场的位置发生改变，其所处不同位置的磁场强度也不同，则霍尔电压发生变化；位移处理显示系统接收处理霍尔电压的变化信号，转换出光电探测器的位移数值并显示出来，从而测得干涉条纹间距，本发明可以使得光路共轴调节直观可见，实现对干涉条纹间距的自动测量，也使得测量干涉条纹间距更方便和准确。
本发明进一步的，所述支撑杆为伸缩杆，伸缩杆上配有禁锢螺丝。
采用上述技术方案的有益效果是：支撑杆采用伸缩杆设计，可方便高度调节。
本发明进一步的，所述激光器、第一凸透镜，第二凸透镜，双棱镜四个元件的外框上下左右四边的中心处均做有标注。
采用上述技术方案的有益效果是：在实验光路共轴调节方面，对实验中的元件做中心位置标定，调试光路时以中心位置为参考，使得各元件上下中心点共线，左右中心点共线，即能较好完成光路共轴调节。
本发明进一步的，所述标注为激光刻痕。
采用上述技术方案的有益效果是：作为标记可靠性高，不易损坏，当然也可以采用其他合适的方式进行标注。
本发明进一步的，所述激光器背部设有用于调整光束方向的倾角螺丝。
采用上述技术方案的有益效果是：供光束方向调整。
本发明进一步的，所述光电探测器配有接收光罩，所述接收光罩为白色不透光材质的面罩，背后留有用于放置导线的缺口。
采用上述技术方案的有益效果是：当实验初期观察实验现象时，可将接收光罩罩在光电探测器上，方便观察，光电探测器上附加接收光罩，接收光罩可替代光屏使用，省去光屏和光电探测器之间的替换麻烦。
本发明进一步的，所述轨道上刻度线处涂有荧光材料。
采用上述技术方案的有益效果是：方便在光线较暗的环境下调节观测读数。
本发明进一步的，所述滑块上设置导轨，导轨上有可滑动的小滑块，所述激光器、第一凸透镜、双棱镜、第二凸透镜下端分别通过一支撑杆固定在小滑块上，小滑块通过小滑块固定螺丝固定位置。
采用上述技术方案的有益效果是：使激光器、第一凸透镜、双棱镜和第二凸透镜可以垂直于轨道纵向移动。这样每个元件的调节都更加灵活方便，根据实际的需要以及成本的考量这里用户可以自行调整。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明霍尔传感器的连接示意图；
图3是本发明滑座的结构示意图；
图4是本发明激光器标注示意图；
图5是本发明第一凸透镜标注示意图；
图6是本发明双棱镜标注示意图；
图7是本发明第二凸透镜标注示意图；
图8是本发明激光器背部示意图；
图9是本发明接收光罩示意图；
图10是本发明接收光罩背部示意图；
图11是本发明光电探测器位移时霍尔传感器变化示意图；
图12是本发明滑块结构示意图；
图中：1、激光器，2、第一凸透镜，3、位移处理显示系统，4、通电线圈，5、光电探测器，6、霍尔传感器，7、支撑杆，8、调节旋钮、9、滑座，10、第二凸透镜，11、轨道，12、滑块，13、双棱镜，14、丝杆，15、标注，16、倾角螺丝，17、接收光罩，18、小滑块固定螺丝，19、小滑块。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1、图2和图3所示，本发明一种基于霍尔效应的双棱镜干涉实验测量装置，包括激光器1、第一凸透镜2、位移处理显示系统3、通电线圈4、光电探测器5、霍尔传感器6、滑座9、第二凸透镜10、轨道11和双棱镜13；所述激光器1、第一凸透镜2、双棱镜13、第二凸透镜10和光电探测器5五个光学元件依次排列在轨道11上，并处于同一光轴线上，所述轨道11上划分有刻度线；所述激光器1、第一凸透镜2、双棱镜13、第二凸透镜10下端分别通过一支撑杆7固定在一滑块12上，每个滑块12都横嵌在轨道11上，能够在轨道11上横向移动并通过紧固螺丝固定相对位置，所述光电探测器5通过一支撑杆7连接在滑座9内的丝杠14上，所述滑座9内设置有丝杆14并配有调节旋钮8，扭动调节旋钮8转动丝杆14，使光电探测器5垂直于轨道纵向移动；所述滑座9横嵌在轨道11上，能够在轨道11上横向移动并通过滑座固定螺丝18固定相对位置；
所述霍尔传感器6与光电探测器5连接，霍尔传感器6放置在两块平行通电线圈4中间，移动光电探测器5时与其连接的霍尔传感器6一同移动，霍尔传感器6在磁场的位置发生改变，其所处不同位置的磁场强度也不同，则霍尔电压发生变化；所述位移处理显示系统3与霍尔传感器6连接及光电探测器5连接，将霍尔电压的变化转化为光电探测器的位移数值显示出来；
霍尔电压变化量与光电探测器位移变化量之间的关系如下：
Figure 660674DEST_PATH_IMAGE006
式中：△x: 光电探测器位移变化量；△
Figure 750990DEST_PATH_IMAGE008
：霍尔电压变化量；
Figure 932573DEST_PATH_IMAGE010
：霍尔灵敏度;
Figure 433830DEST_PATH_IMAGE012
: 霍尔元件的工作电流;m=
Figure 209019DEST_PATH_IMAGE017
,N为线圈匝数;n=
Figure 837447DEST_PATH_IMAGE016
，I为线圈中电流。
该关系推导过程如图11所示：霍尔电压
Figure DEST_PATH_IMAGE018
（1）
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
；霍尔灵敏度，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
; 霍尔元件的工作电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
：磁感应强度。
原公式中
Figure DEST_PATH_IMAGE022
与
Figure 578263DEST_PATH_IMAGE021
为正比关系，寻找一种霍尔元件在磁场中位置改变，从而导致磁场强度B改变的线性关系，从而建立起
Figure 1154DEST_PATH_IMAGE022
与位置
Figure DEST_PATH_IMAGE024
之间的线性关系。磁场强度B的线性变化通过两个平行放置的通电线圈实现。
线圈之间轴心上磁场强度计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
式中：N为线圈匝数，N=500；R为线圈半径，R=10.00cm; I为电流，I=200mA；μ0 为真空磁导率，取值为常数。
线性磁场装置说明：匝数和半径相同的环形线圈，两线圈相向平行放置，通以大小相等方向相反的电流；两线圈之间的距离等于线圈半径。
由于在-3cm至+3cm区间轴向具有理想的线性关系，相应磁感应强度变化范围为-2.5mT至3.5mT。不同的线圈半径会有不同的线性关系，因此本发明采用线圈半径10cm，计算磁场强度，并取线圈匝数500，电流200mA。得出：B=0.1029x+0.0421。
线圈匝数以及电流和磁感应强度之间是成正比，线圈半径10cm是固定的，所以，可以根据实际需要取调整线圈匝数和电流，比如线圈匝数为N匝，电流为I时，线性关系为： B=mn(0.1029x+0.0421)其中，m=
Figure 753385DEST_PATH_IMAGE014
，n=
Figure 998553DEST_PATH_IMAGE016
。
将B=mn(0.1029x+0.0421)带入公式（1）
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，最后得到关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE030
。则霍尔电压变化量与光电探测器位移变化量之间的关系：
Figure 138416DEST_PATH_IMAGE006
。
本发明采用霍尔传感器6与光电探测器5相连，霍尔传感器6在两平行放置的通电线圈4间，移动光电探测器5时，霍尔传感器6同时移动，使得霍尔传感器6在磁场的位置发生改变，其所处不同位置的磁场强度也不同，则霍尔电压发生变化；位移处理显示系统3接收处理霍尔电压的变化信号及光电探测器采集的光强信号，转换出相应的光电探测器的位移变化量数值并显示出来，从而测得干涉条纹间距，本发明可以使得光路共轴调节直观可见，实现对干涉条纹间距的自动测量，也使得测量干涉条纹间距更方便和准确。
在本发明的另一些具体实施方式中，其余与上述实施方式相同，不同之处在于，如图1所示，所述支撑杆7为伸缩杆，伸缩杆上配有禁锢螺丝。支撑杆采用伸缩杆设计，可方便高度调节。
在本发明的另一些具体实施方式中，其余与上述实施方式相同，不同之处在于，如图4至图7所示，所述激光器1、第一凸透镜2，第二凸透镜10，双棱镜13四个元件的外框上下左右四边的中心处均做有标注。在实验光路共轴调节方面，对实验中的元件做中心位置标定，调试光路时以中心位置为参考，使得各元件上下中心点共线，左右中心点共线，即能较好完成光路共轴调节。
在本发明的另一些具体实施方式中，其余与上述实施方式相同，不同之处在于，如图4至图7所示，标注为激光刻痕，作为标记可靠性高，不易损坏，当然也可以采用其他合适的方式进行标注。
在本发明的另一些具体实施方式中，其余与上述实施方式相同，不同之处在于，如图8所示，激光器1背部设有用于调整光束方向的倾角螺丝16，供光束方向调整。
在本发明的另一些具体实施方式中，其余与上述实施方式相同，不同之处在于，如图9和图10所示，光电探测器5配有接收光罩17，所述接收光罩17为白色不透光材质的面罩，背后留有用于放置导线的缺口。当实验初期观察实验现象时，可将接收光罩17罩在光电探测器上，方便观察，光电探测器上附加接收光罩，接收光罩可替代光屏使用，省去光屏和光电探测器之间的替换麻烦。
在本发明的另一些具体实施方式中，其余与上述实施方式相同，不同之处在于，如图1所示，轨道11上刻度线处涂有荧光材料，方便在光线较暗的环境下调节观测读数。
在本发明的另一些具体实施方式中，其余与上述实施方式相同，不同之处在于，如图12所示，滑块12上设置导轨，导轨上有可滑动的小滑块19，所述激光器1、第一凸透镜2、双棱镜13、第二凸透镜10下端分别通过一支撑杆7固定在小滑块19上，小滑块14通过小滑块固定螺丝18固定位置，使激光器1、第一凸透镜2、双棱镜13和第二凸透镜10可以垂直于轨道纵向移动。这样每个元件的调节都更加灵活方便，根据实际的需要以及成本的考量这里用户可以自行调整。
综合上述实施例，第一凸透镜2对激光器1发出光束聚焦；双棱镜13用于实现对原始光分束成两束相干光，形成两虚光源；第二凸透镜10用于对前述两相干光光束聚焦，即产生虚光源像。其中激光器1、第一凸透镜2，第二凸透镜10，双棱镜13四个元件的外框上下左右四边的中心处均做有标注，方便光路共轴调节时做参考；调节旋钮8可以滚动丝杠，进而改变光电探测器5位置，移动光电探测器5时使得霍尔传感器6在磁场的位置发生改变，其所处不同位置的磁场强度也不同，则霍尔电压发生变化；所述磁场装置为两平行放置的通电线圈4；位移处理显示系统3接收处理霍尔电压信号处理转换成位移数据，从而测得干涉条纹间距，位移处理显示系统3处理器可使用PIC单片机。此外，光电探测器5可以采集的光强信号，传输给位移处理显示系统3，对应不同光强度信号，处理转换成不同光强度下的位移数据，测得干涉条纹间距。
当然，以上述实施例仅是本发明的优选方案，具体并不局限于此。本领域的普通技术人员可以理解：在此基础上可根据实际需要作出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式。由于可能实现的方式较多，这里就不再一一举例说明。

Claims (8)

1.一种基于霍尔效应的双棱镜干涉实验测量装置，其特征在于，包括激光器（1）、第一凸透镜（2）、位移处理显示系统（3）、通电线圈（4）、光电探测器（5）、霍尔传感器（6）、滑座（9）、第二凸透镜（10）、轨道（11）和双棱镜（13）；
所述激光器（1）、第一凸透镜（2）、双棱镜（13）、第二凸透镜（10）和光电探测器（5）五个光学元件依次排列在轨道（11）上，并处于同一光轴线上，所述轨道（11）上划分有刻度线；所述激光器（1）、第一凸透镜（2）、双棱镜（13）、第二凸透镜（10）下端分别通过一支撑杆（7）固定在一滑块（12）上，每个滑块（12）都横嵌在轨道（11）上，能够在轨道（11）上横向移动并通过紧固螺丝固定相对位置；所述光电探测器（5）通过一支撑杆（7）连接在滑座（9）内的丝杠（14）上，所述滑座（9）内设置有丝杆（14）并配有调节旋钮（8），扭动调节旋钮（8）转动丝杆（14），使光电探测器（5）垂直于轨道纵向移动；所述滑座（9）横嵌在轨道（11）上，能够在轨道（11）上横向移动并通过滑座固定螺丝（18）固定相对位置；
所述霍尔传感器（6）与光电探测器（5）连接，霍尔传感器（6）放置在两块平行通电线圈（4）中间，移动光电探测器（5）时与其连接的霍尔传感器（6）一同移动，霍尔传感器（6）在磁场的位置发生改变，其所处不同位置的磁场强度也不同，则霍尔电压发生变化；所述位移处理显示系统（3）与霍尔传感器（6）连接及光电探测器（5）连接，将霍尔电压的变化转化为光电探测器的位移数值显示出来；
霍尔电压变化量与光电探测器位移变化量之间的关系如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
式中：△x: 光电探测器位移变化量；△
Figure DEST_PATH_IMAGE004
：霍尔电压变化量；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
：霍尔灵敏度;
Figure DEST_PATH_IMAGE008
: 霍尔元件的工作电流;m=
Figure DEST_PATH_IMAGE010
,N为线圈匝数;n=
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，I为线圈中电流。
2.根据权利要求1所述的一种基于霍尔效应的双棱镜干涉实验测量装置，其特征在于，所述支撑杆（7）为伸缩杆，伸缩杆上配有禁锢螺丝。
3.根据权利要求1所述的一种基于霍尔效应的双棱镜干涉实验测量装置，其特征在于，所述激光器（1）、第一凸透镜（2），第二凸透镜（10），双棱镜（13）四个元件的外框上下左右四边的中心处均做有标注。
4.根据权利要求3所述的一种基于霍尔效应的双棱镜干涉实验测量装置，其特征在于，所述标注为激光刻痕。
5.根据权利要求1所述的一种基于霍尔效应的双棱镜干涉实验测量装置，其特征在于，所述激光器（1）背部设有用于调整光束方向的倾角螺丝（16）。
6.根据权利要求1所述的一种基于霍尔效应的双棱镜干涉实验测量装置，其特征在于，所述光电探测器（5）配有接收光罩（17），所述接收光罩（17）为白色不透光材质的面罩，背后留有用于放置导线的缺口。
7.根据权利要求1所述的一种基于霍尔效应的双棱镜干涉实验测量装置，其特征在于，所述轨道（11）上刻度线处涂有荧光材料。
8.根据权利要求1所述的一种电容式双棱镜干涉实验测量装置，其特征在于，所述滑块（12）上设置导轨，导轨上有可滑动的小滑块（19），所述激光器（1）、第一凸透镜（2）、双棱镜（13）、第二凸透镜（10）下端分别通过一支撑杆7固定在小滑块（19）上，小滑块（19）通过小滑块固定螺丝（18）固定位置。
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CN113160674A (zh) * 2021-05-09 2021-07-23 成都世纳科技有限公司 光子自旋霍尔效应测量装置及测量方法

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CN113160674A (zh) * 2021-05-09 2021-07-23 成都世纳科技有限公司 光子自旋霍尔效应测量装置及测量方法

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