物理实验第20卷第3期 集成I/V变换器与除法器在光学实验中的应用 金琦¨柳毅·周子平 (复旦大学物理系上海200433) 摘要在光学实验的光强测量中,运用集成I/V变换器和除法器组成双光路测量装置,不但可以取代老式 的检测显示仪表(如光电检流计),克服其缺点,实现数字化检测显示,便于与微机连接,而且可以消除由于光源 光强不稳产生的测量误差,具有一定的实用价值 关键词集成I/V变换器集成除法器双光路法 便可消除由于光强不稳定而带来的测量误差, 1引言 而使实验效果更好 为了使大学物理实验跟上当今科技(尤其 是电子技术)的发展步伐,实验仪器以及实验 测量方法都有必买作适当的更新和改进.长期 光电I/V变换器的工作就是将光信号转 以来,在作物理光学实验时一般会遇到两个问为弱电流,再经放大后转为电压模拟量,通过 题.一个就是光强的测量,一般都是采用光电数字式电压表显示读数.虽用Ⅰ/V变换器代替 检流计作为光强探测元件——光电池的电流探光电检流计测量避免了主观误差,实验效果仍 测显示器,虽然电流灵敏度较高(一般为10-9不理想,这主要就是由光源光强不稳所引起的 A/分度左右),但光电检流计量程较小、十分怕系统误差,所以需要改用双光路法 震、挂丝易断,光标又易偏出界外,使得读出 由于谐振腔长不稳等原因,使得激光器实 的数据误差很大,使用与维护也极不方便,为际输出光强I实际为理想稳定的光强l乘以 解决这一问题在光学实验中有必要引进集成个随时间变化的误差因子b(t),实验将一个激 I/V变换器以代替光电检流计,这样不仅可将光器中发出的一路光分为两路,其中一路为实 电流测量灵敏度提高一至三个数量级,而且结验光路,另一路为参考光路.很明显,实验光路 果用数字显示,具有输人阻抗低、读数方便、电光强 流灵敏度高、无主观误差等优点,必要时还可 I=Ixs×a(t)×A 与微机配接,进行自动处理和实时控制.光学 赚想×b(t)×a(t)×A 实验中通常会遇到的另一个问题就是光源光强其中a(t)为实验调节因子,A为实验光路分光 不稳,激光器谐振腔长不稳、纵向的多普勒效比(通常以百分数形式表示,B,C也如此);而 应、横向多模等原因引起的激光器输出光强不参考光路光强 稳,使得实验仪器的调节、实验数据的采集都 1。=l实际×B 很不方便,运用集成I/V变换器将微弱光信号 I×b(t)×B 放大,在实验中采用双光路法(一路为参考光其中B为参考光路分光比.若将I除以I0,则 路),将两路光信号输人集成电路除法器,使得可消去误差因子b(t),因为(A/B)为常数,所以 输出信号只与两路光强的相对变化有关,这样最终输出l出只与两路光强的相对变化量a(t) ·96级选综合物理实验的本科生 2 o1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, LId. All rights reserved
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
物理实验第20卷第3期 有关 然后同时输入集成除法器,除法器输出由数字 --c×a0)其中C=合 表显 式电压表 电路图如图1.图中的CA3140 就是运算放大器,而7660则是一块提供负电压 从而消除了光源光强不稳的系统误差.其电路 的集成块 实现就是将两路光分别经过两个运算放大器, 除法器V 电压表+10N 3一则应用 角.按传统的实验方法是先测量I0,然后改 日测得I,给出I/o-cos2图.显然,这样的做 为进一步验证集成Iv变换器与除法器应用法无法消除由于激光器光强不稳而引起的系统 在光学实验中的可行性,以及双光路法对实验误差,整个过程中将I0视为常数,而实际上 精度的提高,用上述电路代替光电检流计验证0(t)=b(t)I,所以这种方法的实验精度较 马吕斯定律 低,实验数据用最小二乘法拟合如图2,其相关 系数r=0.997 而若改用双光路法并用电子线路测量读 数,其精度将大大提高.实验装置图如图3 检偏器 分束片 激光器带布氏窗 十mo 光深测器[D 根据马吕斯定律,一束光强为I 的线偏振光通过一个检偏器后,其光 I/v(2) 除法器 数字式 电長 强为l,I=l0cos26,式中的是光的 偏振面与偏振片的偏振方向之间的夹 (下转5页) 2 o1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, LId. All rights reserved
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
物理实验第20卷第3期 体现出相对论效应 的教改效果.学生在实验中阅读实验资料和相 E4=√c2p2+m3c 关介绍,开动脑筋自行提出实验方案和新设想, 调试仪器,观察实验现象、分析和解决问题,完 3实验数据的处理方法 成实验和数据处理,这是一个很好的自己尝试 这一系列实验不仅可以使学生掌握近代物科研的过程学生在实验中的积极性大大提高 理实验的技能、方法和技巧,了解有关的知识并在实验后的总结报告中表现了出色的创新精 神和一定的认知水平 和理论,锻炼动手能力,而且为他们数据处理 能力的提髙提供了很好的实习基地 综上所述,在这一综合型、研究型实验中 1)对Nal(Tl)闪烁探测器线性问题的研学生亲自经历实验的“再发现”过程,通过认 究,可以通过设计简单的运算程序分别用直线 真详细进行一个系列性实验对近代物理中核物 拟合、多项式拟合等方法对验证相对论效应实理教学实验的基本仪器、实验方法、数据处理 验中的能量定标数据点进行处理,得到不同的有一个比较全面和深入的认识和了解,达到了 模拟科研的目的.因此,本实验装置作为一个 定标曲线来研究对实验误差的影响; 2)根据B粒子与物质相互作用机制可以编综合型研究型实验达到了一机多用的目的,不 制程序,对β粒子穿过NaI(TI)晶体前的A膜仅让学生受到了严格系统的实验技能训练,掌 握了物理实验的基本知识、方法和技巧,而且 时的能量损失进行合理修正; 3)通过非均匀磁场中电子轨迹计算可以得更重要的是培养学生敏锐的观察力、严谨的科 到p与△x关系较为合理的表述; 学思维能力和创新精神,培养学生理论联系实 4)此外近代物理实验中β、Y能谱的寻峰 际、分析问题和解决问题的能力,特别是与现 代科学技术迅速发展相适应的综合能力 问题至关重要,可以让学生通过对几种常用的 寻峰方法如逐道比较法、导数法、对称零面积5参考文献 线性对合法、协方差法的数学原理和计算方法 的学习了解,各自选择一种或几种方法编制程1陈玲燕,蔡卫国,谢筱羽等相对论效应实验及装 置,物理实验,1987,7(4) 序针对具体实验数据进行寻峰运算;并结合本2陈玲燕秦树基,张哲等,改进型验证相对论教应实 系列实验的实际情况进行分析 验装置工科物理,1998(5) 4结语 3复旦大学,清华大学,北京大学合编原子核物理实 验方法.原子能出版社,1982 通过在同济大学物理系本科生中的实践检4谢筱羽陈玲燕相对论效应实验中的数据处理物 验,证明这一综合型、研究型实验取得了很好 理实验,1990,10(2):51 (19990702收稿) (上接10页) 这里的I和I是同步变化的,所以得到的结果 经消除了光强不稳所引起的误差了,实验数据用 最小二乘法拟合如图4,其相关系数r=0.99997. 这样的实验精度是原先无法达到的 4参考文献 1张新昌.集成运算放大器的应用.高等教育出版社 1985 周谨,朱福渠编.数字化仪器.山东科学技术出版 这样就可由数字式电压表直接测量得I/I0,因为 社,198 (1999-01-15收稿) 2 o1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, LId. All rights reserved
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
