專(zhuān)利名稱(chēng)：手持波動(dòng)光學(xué)演示儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于教學(xué)儀器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在大學(xué)的普通物理課程中，光學(xué)是其中所要講授的一個(gè)主要的內(nèi)容，而 光的波動(dòng)性這一問(wèn)題又恰恰是光學(xué)課程中的一個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)。由于光的波 動(dòng)性存在著一定的抽象性，使得多數(shù)學(xué)生初期接觸這一問(wèn)題時(shí)，在理解和掌 握上有一定的困難。正因?yàn)槿绱?，考慮通過(guò)適當(dāng)?shù)牟▌?dòng)光學(xué)演示實(shí)驗(yàn)，幫助 學(xué)生順利理解所學(xué)到的知識(shí)，是一件重要的事情。波動(dòng)光學(xué)的演示裝置有許 多，對(duì)于綜合型的波動(dòng)光學(xué)演示裝置國(guó)內(nèi)外也有一些廠家在生產(chǎn)，比如香港 某教學(xué)儀器公司與國(guó)外一家光學(xué)公司合作開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)的一套綜合型的波動(dòng)光 學(xué)演示裝置，可以切換各種衍射物，能夠演示大部分波動(dòng)光學(xué)實(shí)驗(yàn)；并且有 條件的學(xué)校在教室的設(shè)計(jì)上考慮到了光學(xué)演示實(shí)驗(yàn)的需要。但是，在普通教 室很難實(shí)施這樣的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)楣鈱W(xué)實(shí)驗(yàn)一般需要無(wú)光或微光的條件，且實(shí)驗(yàn) 儀器體型較大，需要的零件也較多，需要很高的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)起來(lái)比較麻煩， 所以這些都限制了光學(xué)演示在普通教室的開(kāi)展。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型提供了一種小型的、集成型的、能夠演示許多波動(dòng)光學(xué)現(xiàn)象 的手持波動(dòng)光學(xué)演示儀。
本實(shí)用新型的解決方案是本裝置的基本結(jié)構(gòu)由光源3和衍射屏5構(gòu)成， 電源2為光源3提供能量，電源2采用干電池；衍射屏5由中心帶有架軸5-3 的圓片狀的輪架5-2上安裝衍射單元5-1構(gòu)成；電源2、光源3、衍射屏5依 次安置在金屬圓管外殼1中；光束8沿外殼1軸線出射；衍射屏5通過(guò)外殼1 中的內(nèi)托6垂直外殼1軸線放置，使光束8穿過(guò)衍射單元5-l，衍射屏5通過(guò) 輪架5-2上的架軸5-3與內(nèi)托6中的軸托6-2配合，并部分露出外殼1，可通 過(guò)撥動(dòng)旋轉(zhuǎn)，從而切換衍射單元5-1;每個(gè)輪架5-2圍繞架軸5-3均勻放置8-10 個(gè)衍射單元5-1構(gòu)成衍射屏5，可以制作多個(gè)衍射屏5來(lái)放置多個(gè)衍射單元5-1，衍射屏5通過(guò)在外殼1上開(kāi)槽，放置在裝置的光路8中，可以在光路中 更換不同的衍射屏5。
為了適應(yīng)更多的實(shí)驗(yàn)要求，可以在裝置的光路中加裝擴(kuò)束鏡4和聚焦鏡7， 擴(kuò)束鏡4通過(guò)與衍射屏5中類(lèi)似的輪架放置在光源3與衍射屏5之間，通過(guò) 旋轉(zhuǎn)輪架切換是否加裝擴(kuò)束鏡4;聚焦鏡7通過(guò)圓筒插裝在外殼1的出光口處, 并可作前后微調(diào)。
本裝置可通過(guò)光源轉(zhuǎn)換裝置9安裝兩種光源兩只紅、綠兩激光器平行 貼外殼壁放置，激光器的光束沿外殼1軸線方向向后射到一個(gè)安置在輪架上 的斜面垂直于外殼1軸線的直角三棱鏡9-1的斜面內(nèi)，通過(guò)直角三棱鏡9-1兩 個(gè)直角面的反射，光線沿外殼1軸線正.向出射；通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)輪架來(lái)切換不同的 光源，并將光源與電源2連接的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)9-2設(shè)置在輪架上，當(dāng)切換光源時(shí)接 通相應(yīng)光源的電源。
本實(shí)用新型的有益效果是采用上述方案后，可以將波動(dòng)光學(xué)的各種衍 射物集中在衍射屏中，利用小巧的集成的實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)切換和更換衍射屏， 就可以演示波動(dòng)光學(xué)中很多實(shí)驗(yàn)。本儀器攜帶非常方便，可以不受場(chǎng)地和電 源的限制，而且操作簡(jiǎn)單。

圖l:本儀器的基本結(jié)構(gòu)示意圖2:本儀器的衍射屏結(jié)構(gòu)示意圖3:本儀器輪架內(nèi)托主視圖4:本儀器加裝擴(kuò)束鏡和聚焦鏡時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5:本儀器采用雙光源時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，1、外殼，2、電源(電池)，3、光源，3-1、紅光激光器，3-2、綠 光激光器，4、擴(kuò)束鏡，5、衍射屏，5-1、衍射單元，5-2、輪架，5-3、架軸， 5-4、定位槽，6、內(nèi)托，6-1、定位彈片，6-2、軸托，7、聚焦鏡，8、光束， 9、光源轉(zhuǎn)換裝置，9-1、直角三棱鏡，9-2、開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)。
具體實(shí)施方式
本儀器的關(guān)鍵部件是衍射屏5的制作，波動(dòng)光學(xué)的波動(dòng)性質(zhì)是通過(guò)不同 的干涉物、衍射物產(chǎn)生的現(xiàn)象體現(xiàn)的。由于光的波長(zhǎng)很短，干涉物或衍射物 只有很小時(shí)其產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象、衍射現(xiàn)象才能被肉眼觀察到。實(shí)驗(yàn)中人們制 作了許多能產(chǎn)生奇特現(xiàn)象的干涉物、衍射物，在我們的實(shí)驗(yàn)裝置中衍射屏包
含了這些干涉物、衍射物。衍射屏5上的衍射單元5-l即為干涉物、衍射物， 可以制作多個(gè)衍射屏5來(lái)容納各種干涉物、衍射物，衍射屏5可以方便地更 換。衍射單元5-l可以用攝影膠片制作，攝影膠片將物體通過(guò)拍攝縮微，將物 體縮小到毫米量級(jí)，這個(gè)尺度用可見(jiàn)光激光可以產(chǎn)生明顯的衍射。攝影膠片
制作的衍射單元5-l有縫、？L、網(wǎng)、環(huán)、多邊形、光柵等，其中縫有單縫、
雙縫、多縫，可以有大縫、小縫，雙縫中兩縫的縫寬與縫距可以有各種比例，
這些尺寸的不同亦可產(chǎn)生不同的衍射現(xiàn)象；孔有從小到大一系列尺寸，可以 演示孔的大小對(duì)衍射現(xiàn)象的影響；多邊形從三角形到八邊形；光柵有一維光 柵和二維光柵。衍射屏5中的衍射單元5-l也可以是物體，如雙棱鏡、偏振 片、叉絲等。衍射屏5的結(jié)構(gòu)如圖2所示每個(gè)衍射屏5包含8個(gè)衍射單元 5-1，均勻分布在輪架5-2邊緣。輪架5-2為一個(gè)原片，中心有一個(gè)架軸5-3， 圍繞架軸5-3均勻分布有8個(gè)放置衍射單元的圓孔，輪架5-2通過(guò)架軸5-3與 圖3中的內(nèi)托6中的軸托6-2配合，垂直放在的光路中，使光穿過(guò)某個(gè)衍射單 元5-l;輪架5-2—部分露出外殼l，用手撥動(dòng)輪架5-2可以切換衍射單元， 輪架5-2上設(shè)有定位槽5-4，與內(nèi)托6中的定位彈片6-1配合可以保證光束8 穿過(guò)衍射單元中心。通過(guò)更換衍射屏5可以演示很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
本儀器的基本結(jié)構(gòu)是將電源2、光源3、衍射屏5依次集成在一支鋁的圓 管中。圓管垂直軸線方向開(kāi)一槽，用于放置衍射屏5， 一頭開(kāi)口透光，另一頭 設(shè)蓋裝電池；電源2采用干電池；光源3采用半導(dǎo)體激光器。光通過(guò)衍射屏5 后發(fā)生干涉/衍射，將干涉/衍射光投射到遠(yuǎn)處的屏幕上，即可觀察干涉/衍射圖 像。屏幕可以用專(zhuān)門(mén)的銀幕，也可以是白墻，甚至可以是一張白紙。通過(guò)轉(zhuǎn) 換不同的衍射屏5可以觀察到単縫、雙縫、多縫、圓孔、方孔、園屏、網(wǎng)格、 多邊形、 一維光柵、二維光柵等的干涉/衍射圖樣。儀器的結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖l。菲涅耳衍射和弗朗禾費(fèi)衍射是衍射條件變化的結(jié)果，是波動(dòng)光學(xué)中衍射 的教學(xué)重點(diǎn)。衍射系統(tǒng)由光源、衍射屏、接收屏幕組成。通常按它們相互之 間距離的大小將衍射分為兩類(lèi) 一類(lèi)是光源和接收屏幕(或兩者之一)距離 衍射屏有限遠(yuǎn)，這類(lèi)衍射叫做菲涅耳衍射；另一類(lèi)是光源和接收屏幕都距離 衍射屏無(wú)窮遠(yuǎn)，這類(lèi)衍射叫做弗朗禾費(fèi)衍射。本儀器的光源3是半導(dǎo)體激光 器，半導(dǎo)體激光器發(fā)出來(lái)的激光是平行光，可以認(rèn)為光源距離衍射屏"無(wú)窮 遠(yuǎn)"；本儀器的屏幕到衍射屏的距離為兩米以上，相對(duì)衍射單元的尺寸來(lái)說(shuō)也 可以認(rèn)為是"無(wú)窮遠(yuǎn)"，所以本儀器的基本結(jié)構(gòu)形成的衍射都是弗朗禾費(fèi)衍射。 當(dāng)觀察菲涅耳衍射時(shí)，需要在基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上在激光器前加裝一個(gè)短焦距 凸透鏡作為擴(kuò)束鏡4，使激光發(fā)出的平行光發(fā)散，形成點(diǎn)光源效果。凸透鏡通 過(guò)與衍射屏5類(lèi)似的輪架安置在激光器前，通過(guò)撥動(dòng)輪架切換是否加裝擴(kuò)束 鏡4。(如圖3)
對(duì)于某些情況，如觀察多縫，雖然是弗朗禾費(fèi)衍射，但由于激光器的光 束很窄，不能射到所有的縫，這時(shí)也需要擴(kuò)束。但為了保證弗朗禾費(fèi)衍射的 條件，還需要將光聚焦到屏幕上，所以在衍射屏5后面還需要加一個(gè)聚焦鏡7， 為了適應(yīng)屏幕到衍射屏距離的變化，這個(gè)透鏡還需要有一定的移動(dòng)范圍。此 透鏡裝在一個(gè)圓筒內(nèi)，圓筒可插在外殼出光口處，并可前后移動(dòng)，如圖3所 示。
本儀器還可以安裝兩個(gè)激光器， 一個(gè)紅光激光器3-1 ， 一個(gè)綠光激光器3-2。 這樣可以比較不同波長(zhǎng)的光對(duì)干涉、衍射圖樣的影響。如圖4所示加裝一 個(gè)光源轉(zhuǎn)換裝置9，該裝置也是一個(gè)輪架，此輪架采用透明材料制作，輪架偏 心的位置設(shè)置一個(gè)直角三棱鏡9-l，直角三棱鏡9-l斜面平行于輪架的面，即 垂直于外殼軸線；在靠近外殼處平行外殼1的軸線各設(shè)置一個(gè)紅、綠激光器， 使激光器發(fā)出的激光通過(guò)直角三棱鏡9-l的斜面射到直角面，反射到另一個(gè)直 角面，然后反射回來(lái)，使反射回來(lái)的光剛好在外殼1的軸線上。通過(guò)撥動(dòng)裝 有直角三棱鏡的輪架可以切換不同的激光。在輪架的邊緣設(shè)置激光器的開(kāi)關(guān) 觸點(diǎn)9-2，當(dāng)切換到某一激光器的光路后就接通該激光器的電源。
權(quán)利要求1. 手持波動(dòng)光學(xué)演示儀，由電源(2)、光源(3)和光路中的擴(kuò)束鏡(4)、衍射屏(5)、聚焦鏡(7)組成，其特征在于所述的電源(2)、光源(3)和光路中的擴(kuò)束鏡(4)、衍射屏(5)、聚焦鏡(7)依次安置在一根作為外殼(1)的金屬圓管中，光路在圓管的軸線上；其中，光源(3)采用半導(dǎo)體激光器；電源(2)為半導(dǎo)體激光器提供能量；擴(kuò)束鏡(4)安裝在可旋轉(zhuǎn)的輪架(5-2)上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)輪架(5-2)可實(shí)現(xiàn)是否切換到光路中；衍射屏(5)由安裝在輪架(5-2)上的多個(gè)衍射單元(5-1)構(gòu)成，通過(guò)旋轉(zhuǎn)輪架(5-2)可切換光路中的衍射單元(5-1)；聚焦鏡7安裝在一個(gè)可插在外殼(1)上的并可前后移動(dòng)的圓筒內(nèi)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的手持波動(dòng)光學(xué)演示儀，其特征在于所述的光源(3)為紅綠兩色可切換光源。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的手持波動(dòng)光學(xué)演示儀，其特征在于所述的紅綠 兩色可切換光源平行貼外殼壁放置，光線沿外殼(1)軸線方向向后射到 一個(gè)安置在輪架上的斜面垂直于外殼(1)軸線的直角三棱鏡(9-1)的斜 面內(nèi)，通過(guò)直角三棱鏡(9-1)兩個(gè)直角面的反射，光線沿外殼(1)軸線 正向出射；通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)輪架來(lái)切換不同的光源，并將光源與電源(2)連接 的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)(9-2)設(shè)置在輪架上，當(dāng)切換光源時(shí)接通相應(yīng)光源的電源。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項(xiàng)所述的手持波動(dòng)光學(xué)演示儀，其特征在 于所述的衍射屏(5)為圓片形輪架上，圍繞輪架的架軸(5-3)均勻分 布8至IO個(gè)衍射單元(5-1)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項(xiàng)所述的手持波動(dòng)光學(xué)演示儀，其特征在 于所述的電源(2)釆用1號(hào)干電池。
專(zhuān)利摘要手持波動(dòng)光學(xué)演示儀屬于教學(xué)儀器領(lǐng)域，可以演示波動(dòng)光學(xué)中的干涉、衍射、偏振的很多現(xiàn)象，是用于課堂教學(xué)的演示儀器。該儀器電源2、光源3和光路中的擴(kuò)束鏡4、衍射屏5、聚焦鏡7組成，其特征在于所述的電源2、光源3和光路中的擴(kuò)束鏡4、衍射屏5、聚焦鏡7依次安置在一根作為外殼1的金屬圓管中，光路在圓管的軸線上；其中，擴(kuò)束鏡4安裝在可旋轉(zhuǎn)的輪架上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)輪架可實(shí)現(xiàn)是否切換到光路中；衍射屏5由安裝在輪架上的多個(gè)衍射單元構(gòu)成，通過(guò)旋轉(zhuǎn)輪架可切換光路中的衍射單元；聚焦鏡7安裝在一個(gè)可插在外殼1上的并可前后移動(dòng)的圓筒內(nèi)。本儀器將波動(dòng)光學(xué)的各種衍射物集中在衍射屏中，并且可以有紅綠兩種光源，可以演示波動(dòng)光學(xué)中很多實(shí)驗(yàn)。
文檔編號(hào)G09B23/00GK201285614SQ20082012269
公開(kāi)日2009年8月5日 申請(qǐng)日期2008年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月27日
發(fā)明者劉敏薔, 楊旭東 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)