引 言

随着现代科学技术的发展,磁光调制技术受到越来越多的关注。磁光调制是利用某些晶体的磁光效应^{[ 1,2,3 ]},对光信号的幅度进行调制,使光信号的幅度随着调制信号的变化而变化,实现把调制信号加载到光信号上^{[ 4,5 ]}。磁光调制的这一特性使得该技术在光电检测、光通讯、光显示等领域得到广泛的应用^{[ 6,7,8,9 ]}。

磁光调制实验仪,作为高等院校新一代的物理实验仪器,不仅能够使学生很好地掌握磁光调制的原理,而且在基础物理实验和相关专业的实验中,还可以用于磁场与光场相互作用以及光信息处理等的研究^{[ 10,11,12,13 ]}。但是,传统的磁光调制实验仪在实验过程中需要手动调节并记录实验数据,这使得实验结果精确度低,且显示效果不直观^{[ 13,14,15 ]}。

本文主要针对目前实验室中磁光调制实验仪的不足,充分利用光电技术、计算机技术并结合计算机辅助教学的思想对其进行改进。改进后的实验装置精确度高,实验效果清晰直观。

1 实验原理

图 1所示的是改进后的磁光调制实验仪原理图,实验仪的工作原理为:光源发出的光经起偏器P后穿过励磁线圈,再经检偏器A至光接收部件(光接收部件与传统实验仪相比,换成了光敏电阻),光敏电阻将光信号转变为电信号,通过放大电路的放大,由信号采集器采集并送入计算机,在计算机上显示出光强的变化。用串联电阻对磁光介质线圈两端的电压(0～30 V)进行分压,得到分压后的电压为0～5 V。通过信号采集器采集线圈电压的大小并送入计算机,在计算机上反映出磁场的变化。通过计算机控制步进电机匀速转动来带动起偏器P的匀速转动,在计算机上记录下各个角度时的光强变化。编写相应的VB程序,将以上结果绘制成光强与旋转角度、光强与线圈电压(即磁场)的关系图,这样便可在计算机上非常直观地看到实验结果。由于改进后的实验装置由电脑实时控制,克服了手动带来的误差,精确度高。

图 1

Fig. 1

图 1 改进后的磁光调制实验仪原理图 Fig. 1 Principle diagram of improved magneto-optic modulation experiment instrument

2 实验装置的设计及操作

2.1 实验装置设计

图 2是根据图 1所示的原理搭建的装置实物图,该装置主要包括激光管L、起偏器P、带调制线圈的磁光介质、检偏器A、光敏电阻、稳压电源、放大电路、信号采集器、步进电机和计算机。

图 2

Fig. 2

图 2 改进后的磁光调制实验仪实物图 Fig. 2 Physical diagram of improved magneto-optic modulation experiment instrument

(1)光强信号的采集:用光敏电阻替代传统实验仪中的光接收部分,光敏电阻将光信号转变为电信号,通过放大电路的放大,由信号采集器采集并送入计算机。通过相应的VB程序,在计算机上便可反映出光强的变化情况。

(2)磁光介质线圈两端电压的采集:引出磁光介质线圈两端的电压(0～30 V),采用串联电阻的方式进行分压,分压后的电压为0～5 V,将分压后的电压信号通过信号采集器采集并送入计算机。通过相应的VB程序,在计算机上便可反映出磁场的变化情况。

(3)计算机控制步进电机的转动:若想让计算机控制检偏器匀速旋转,并且知道检偏器的实时角度,最简便的办法是采用步进电机。图 3所示为计算机控制步进电机的示意图,图中,A、B、C、D依次接计算机现成并行口的2、3、4、5四个数据引脚,若假设并行口基地址为378H,则用VB程序“vbOut &H378,2^I”来实时控制外部步进电机。步进电机使用八拍方式控制:A-AB-B-BC-C-CD-D-DA(0001、0011、0010、0110、0100、1100、1000、1001)。

图 3

Fig. 3

图 3 步进电机接口示意图 Fig. 3 Schematic of stepper motor interface

编写相应的VB程序,计算机可以实时控制实验数据的采集,并直观地显示实验过程。

按图 2所示连接好实验装置,运行软件。本装置提供线圈两端电压(用于产生磁场)的稳压源可调电压范围为0~30 V,本实验可从0 V开始实验,每次增加3~5 V电压(这样可得到6~8个偏振光振动面旋转角度与对应磁场值的数据点,如图 4(b)所示)。对于每一次确定的电压(磁场),用软件控制步进电机旋转180°,边旋转边让采集器高速采集反映光强变化的电压数据并实时在屏幕上描绘出图 4(a)所示的曲线,并在旋转180°后软件会自动找出曲线中的最大光强点对应的角度,再自动在图 4(b)所示的图上描出对应的一个点。此后线圈两端电压每增加一次,操作与此类同。如此可直观地得到图 4(b)所示的磁光特性图。

3 实验结果及分析

编写相应的VB程序,通过信号采集器进行采集并送入计算机进行分析处理,按2.2所述进行实验操作,得到如图 4所示的实验数据图。

图 4

Fig. 4

图 4 实验数据图 Fig. 4 Diagram of experimental data

图 4(a)为步进电机旋转180°过程中旋转角度和光强的关系图。此时线圈两端的电压值是固定不变的,即磁场固定不变。步进电机旋转时间为5 s,检偏器从-90°旋转至90°。当起偏器角度发生变化时,起偏器与检偏器的相对位置发生变化。随着两个偏振片相对位置的变化,光强示数随之变化。由此图可看出,当检偏器主平面与偏振光振动面一致时,光强达到最大值。

图 4(b)为偏振面旋转角度与磁场强度的关系图。图中线圈电压值(即磁场强度)每增加一次,图 4(a)所示的曲线扫描一次,即步进电机旋转180°。由此图可直观地看出偏振面旋转角度随着外加磁场强度的增大而增大,基本成线性关系。

4 结 论

针对传统磁光调制实验仪的不足,本文结合光电技术和计算机技术对其进行了改进。可以看到,改进后的实验仪不仅显示效果直观、实验数据更精确,而且能够让学生将所学的光电知识及计算机知识有机地结合起来,达到更好的教学目的。因此改进后的磁光调制实验仪具有更广阔的应用前景。