CN201285614Y - 手持波动光学演示仪 - Google Patents

Abstract

手持波动光学演示仪属于教学仪器领域，可以演示波动光学中的干涉、衍射、偏振的很多现象，是用于课堂教学的演示仪器。该仪器电源2、光源3和光路中的扩束镜4、衍射屏5、聚焦镜7组成，其特征在于：所述的电源2、光源3和光路中的扩束镜4、衍射屏5、聚焦镜7依次安置在一根作为外壳1的金属圆管中，光路在圆管的轴线上；其中，扩束镜4安装在可旋转的轮架上，通过旋转轮架可实现是否切换到光路中；衍射屏5由安装在轮架上的多个衍射单元构成，通过旋转轮架可切换光路中的衍射单元；聚焦镜7安装在一个可插在外壳1上的并可前后移动的圆筒内。本仪器将波动光学的各种衍射物集中在衍射屏中，并且可以有红绿两种光源，可以演示波动光学中很多实验。

Description

手持波动光学演示仪

技术领域

本实用新型属于教学仪器领域。

背景技术

在大学的普通物理课程中，光学是其中所要讲授的一个主要的内容，而光的波动性这一问题又恰恰是光学课程中的一个重要的知识点。由于光的波动性存在着一定的抽象性，使得多数学生初期接触这一问题时，在理解和掌握上有一定的困难。正因为如此，考虑通过适当的波动光学演示实验，帮助学生顺利理解所学到的知识，是一件重要的事情。波动光学的演示装置有许多，对于综合型的波动光学演示装置国内外也有一些厂家在生产，比如香港某教学仪器公司与国外一家光学公司合作开发、生产的一套综合型的波动光学演示装置，可以切换各种衍射物，能够演示大部分波动光学实验；并且有条件的学校在教室的设计上考虑到了光学演示实验的需要。但是，在普通教室很难实施这样的实验，因为光学实验一般需要无光或微光的条件，且实验仪器体型较大，需要的零件也较多，需要很高的稳定性，调节起来比较麻烦，所以这些都限制了光学演示在普通教室的开展。

实用新型内容

本实用新型提供了一种小型的、集成型的、能够演示许多波动光学现象的手持波动光学演示仪。

本实用新型的解决方案是：本装置的基本结构由光源3和衍射屏5构成，电源2为光源3提供能量，电源2采用干电池；衍射屏5由中心带有架轴5-3的圆片状的轮架5-2上安装衍射单元5-1构成；电源2、光源3、衍射屏5依次安置在金属圆管外壳1中；光束8沿外壳1轴线出射；衍射屏5通过外壳1中的内托6垂直外壳1轴线放置，使光束8穿过衍射单元5-1，衍射屏5通过轮架5-2上的架轴5-3与内托6中的轴托6-2配合，并部分露出外壳1，可通过拨动旋转，从而切换衍射单元5-1；每个轮架5-2围绕架轴5-3均匀放置8-10个衍射单元5-1构成衍射屏5，可以制作多个衍射屏5来放置多个衍射单元5-1，衍射屏5通过在外壳1上开槽，放置在装置的光路8中，可以在光路中更换不同的衍射屏5。

为了适应更多的实验要求，可以在装置的光路中加装扩束镜4和聚焦镜7，扩束镜4通过与衍射屏5中类似的轮架放置在光源3与衍射屏5之间，通过旋转轮架切换是否加装扩束镜4；聚焦镜7通过圆筒插装在外壳1的出光口处，并可作前后微调。

本装置可通过光源转换装置9安装两种光源：两只红、绿两激光器平行贴外壳壁放置，激光器的光束沿外壳1轴线方向向后射到一个安置在轮架上的斜面垂直于外壳1轴线的直角三棱镜9-1的斜面内，通过直角三棱镜9-1两个直角面的反射，光线沿外壳1轴线正向出射；通过转动轮架来切换不同的光源，并将光源与电源2连接的开关触点9-2设置在轮架上，当切换光源时接通相应光源的电源。

本实用新型的有益效果是：采用上述方案后，可以将波动光学的各种衍射物集中在衍射屏中，利用小巧的集成的实验装置，通过切换和更换衍射屏，就可以演示波动光学中很多实验。本仪器携带非常方便，可以不受场地和电源的限制，而且操作简单。

附图说明

图1：本仪器的基本结构示意图；

图2：本仪器的衍射屏结构示意图；

图3：本仪器轮架内托主视图；

图4：本仪器加装扩束镜和聚焦镜时的结构示意图；

图5：本仪器采用双光源时的结构示意图。

图中，1、外壳，2、电源(电池)，3、光源，3-1、红光激光器，3-2、绿光激光器，4、扩束镜，5、衍射屏，5-1、衍射单元，5-2、轮架，5-3、架轴，5-4、定位槽，6、内托，6-1、定位弹片，6-2、轴托，7、聚焦镜，8、光束，9、光源转换装置，9-1、直角三棱镜，9-2、开关触点。

具体实施方式

本仪器的关键部件是衍射屏5的制作，波动光学的波动性质是通过不同的干涉物、衍射物产生的现象体现的。由于光的波长很短，干涉物或衍射物只有很小时其产生的干涉现象、衍射现象才能被肉眼观察到。实验中人们制作了许多能产生奇特现象的干涉物、衍射物，在我们的实验装置中衍射屏包含了这些干涉物、衍射物。衍射屏5上的衍射单元5-1即为干涉物、衍射物，可以制作多个衍射屏5来容纳各种干涉物、衍射物，衍射屏5可以方便地更换。衍射单元5-1可以用摄影胶片制作，摄影胶片将物体通过拍摄缩微，将物体缩小到毫米量级，这个尺度用可见光激光可以产生明显的衍射。摄影胶片制作的衍射单元5-1有：缝、孔、网、环、多边形、光栅等，其中缝有：单缝、双缝、多缝，可以有大缝、小缝，双缝中两缝的缝宽与缝距可以有各种比例，这些尺寸的不同亦可产生不同的衍射现象；孔有从小到大一系列尺寸，可以演示孔的大小对衍射现象的影响；多边形从三角形到八边形；光栅有一维光栅和二维光栅。衍射屏5中的衍射单元5-1也可以是物体，如：双棱镜、偏振片、叉丝等。衍射屏5的结构如图2所示：每个衍射屏5包含8个衍射单元5-1，均匀分布在轮架5-2边缘。轮架5-2为一个原片，中心有一个架轴5-3，围绕架轴5-3均匀分布有8个放置衍射单元的圆孔，轮架5-2通过架轴5-3与图3中的内托6中的轴托6-2配合，垂直放在的光路中，使光穿过某个衍射单元5-1；轮架5-2一部分露出外壳1，用手拨动轮架5-2可以切换衍射单元，轮架5-2上设有定位槽5-4，与内托6中的定位弹片6-1配合可以保证光束8穿过衍射单元中心。通过更换衍射屏5可以演示很多实验现象。

本仪器的基本结构是将电源2、光源3、衍射屏5依次集成在一支铝的圆管中。圆管垂直轴线方向开一槽，用于放置衍射屏5，一头开口透光，另一头设盖装电池；电源2采用干电池；光源3采用半导体激光器。光通过衍射屏5后发生干涉/衍射，将干涉/衍射光投射到远处的屏幕上，即可观察干涉/衍射图像。屏幕可以用专门的银幕，也可以是白墙，甚至可以是一张白纸。通过转换不同的衍射屏5可以观察到单缝、双缝、多缝、圆孔、方孔、园屏、网格、多边形、一维光栅、二维光栅等的干涉/衍射图样。仪器的结构形式见图1。

菲涅耳衍射和弗朗禾费衍射是衍射条件变化的结果，是波动光学中衍射的教学重点。衍射系统由光源、衍射屏、接收屏幕组成。通常按它们相互之间距离的大小将衍射分为两类：一类是光源和接收屏幕(或两者之一)距离衍射屏有限远，这类衍射叫做菲涅耳衍射；另一类是光源和接收屏幕都距离衍射屏无穷远，这类衍射叫做弗朗禾费衍射。本仪器的光源3是半导体激光器，半导体激光器发出来的激光是平行光，可以认为光源距离衍射屏“无穷远”；本仪器的屏幕到衍射屏的距离为两米以上，相对衍射单元的尺寸来说也可以认为是“无穷远”，所以本仪器的基本结构形成的衍射都是弗朗禾费衍射。当观察菲涅耳衍射时，需要在基本结构的基础上在激光器前加装一个短焦距凸透镜作为扩束镜4，使激光发出的平行光发散，形成点光源效果。凸透镜通过与衍射屏5类似的轮架安置在激光器前，通过拨动轮架切换是否加装扩束镜4。(如图3)

对于某些情况，如观察多缝，虽然是弗朗禾费衍射，但由于激光器的光束很窄，不能射到所有的缝，这时也需要扩束。但为了保证弗朗禾费衍射的条件，还需要将光聚焦到屏幕上，所以在衍射屏5后面还需要加一个聚焦镜7，为了适应屏幕到衍射屏距离的变化，这个透镜还需要有一定的移动范围。此透镜装在一个圆筒内，圆筒可插在外壳出光口处，并可前后移动，如图3所示。

本仪器还可以安装两个激光器，一个红光激光器3-1，一个绿光激光器3-2。这样可以比较不同波长的光对干涉、衍射图样的影响。如图4所示：加装一个光源转换装置9，该装置也是一个轮架，此轮架采用透明材料制作，轮架偏心的位置设置一个直角三棱镜9-1，直角三棱镜9-1斜面平行于轮架的面，即垂直于外壳轴线；在靠近外壳处平行外壳1的轴线各设置一个红、绿激光器，使激光器发出的激光通过直角三棱镜9-1的斜面射到直角面，反射到另一个直角面，然后反射回来，使反射回来的光刚好在外壳1的轴线上。通过拨动装有直角三棱镜的轮架可以切换不同的激光。在轮架的边缘设置激光器的开关触点9-2，当切换到某一激光器的光路后就接通该激光器的电源。

Claims (5)

1.手持波动光学演示仪，由电源(2)、光源(3)和光路中的扩束镜(4)、衍射屏(5)、聚焦镜(7)组成，其特征在于：所述的电源(2)、光源(3)和光路中的扩束镜(4)、衍射屏(5)、聚焦镜(7)依次安置在一根作为外壳(1)的金属圆管中，光路在圆管的轴线上；其中，光源(3)采用半导体激光器；电源(2)为半导体激光器提供能量；扩束镜(4)安装在可旋转的轮架(5-2)上，通过旋转轮架(5-2)可实现是否切换到光路中；衍射屏(5)由安装在轮架(5-2)上的多个衍射单元(5-1)构成，通过旋转轮架(5-2)可切换光路中的衍射单元(5-1)；聚焦镜7安装在一个可插在外壳(1)上的并可前后移动的圆筒内。

2.根据权利要求1所述的手持波动光学演示仪，其特征在于：所述的光源(3)为红绿两色可切换光源。

3.根据权利要求2所述的手持波动光学演示仪，其特征在于：所述的红绿两色可切换光源平行贴外壳壁放置，光线沿外壳(1)轴线方向向后射到一个安置在轮架上的斜面垂直于外壳(1)轴线的直角三棱镜(9-1)的斜面内，通过直角三棱镜(9-1)两个直角面的反射，光线沿外壳(1)轴线正向出射；通过转动轮架来切换不同的光源，并将光源与电源(2)连接的开关触点(9-2)设置在轮架上，当切换光源时接通相应光源的电源。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的手持波动光学演示仪，其特征在于：所述的衍射屏(5)为圆片形轮架上，围绕轮架的架轴(5-3)均匀分布8至10个衍射单元(5-1)。

5.根据权利要求1至3中的任一项所述的手持波动光学演示仪，其特征在于：所述的电源(2)采用1号干电池。

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