移动式激光光反射折射透镜成像演示组合装置

【摘要】移动式激光光反射折射透镜成像演示组合装置，由安装磁性底座的半导体激光发射器，安装磁性底座的配套用的光学组具，亲磁性示教板，水平、垂直量尺和光屏等组成。半导体激光发射器包括能发射一束光线的半导体激光发射器和能发射两束光线的半导体激光发射器。使用时，半导体激光发射器和光学实验配套用的光学组具，通过磁性底座吸附在亲磁性示教板上、可任意移动组合成各种光学演示实验。不需暗室，可在教室演示光的直线传播、光反射、光折射、透镜成像规律以及光的干涉、衍射等50多个光学实验。

【关键词】半导体激光发射器；磁性底座；亲磁性；移动组合；光学实验

一、研制的背景

目前中学实验室中，光的反射折射透镜成像的激光光学演示仪，氦氖激光器光源固定在示教板的下端机箱内，光线竖直射向上端固定安装的五块介质膜分束反射镜上，靠转动反射镜改变出射光线的角度。由于光束出射位置固定，光束位置移动受限，不能灵活地组成各种光路。且一束光线分成五束后，一条比一条暗淡，实验效果不佳。为改变上述缺点，设计制作了《移动式激光光反射折射透镜成像演示组合装置》。

二、组合装置的结构和工作原理

1.组合装置的结构

本组合装置由小型的两个能发射一束光线的半导体激光发射器（图1）和一个能发射两束光线（其中一束光线可任意改变出射角度）的半导体激光发射器（图2）、反射镜、三棱镜、折射块、透镜、小孔、单双缝、劈尖、牛顿环、偏振器等光学组具、光度盘、水平量尺、垂直量尺、亲磁性示教板和光屏等组成。半导体激光发射器、各种光学组具和水平、垂直量尺均安装在磁性底座上，可任意移动放置在亲磁性示教板上，例如图3凸透镜成像演示实验。

2.半导体激光发射器的结构和工作原理

由图4可知，半导体激光发射器由壳体、外接电源插座、激光开关、纽扣电池夹、纽扣电池、电路板、半导体激光管、光斑大小调整部件、柱面镜、光起点调整伸缩镜头、伸缩镜头调整锁紧螺钉、高度调整锁紧螺钉、环型磁性底座等组成。打开开关，激光从半导体激光管射出，经过激光出口镜头内的柱面镜后，形成与亲磁性示教板垂直相交的扇形光束，在亲磁性示教板上显示出光束的径迹，在光束的径迹上放置各种光具，便可以做相应的光学实验。

3.半导体激光发射器的直流恒流驱动电路和工作原理

半导体激光管POT2内部由两个部分组成。如图5所示，1脚与2脚内部是激光发射部分，它的作用是发射激光。1脚与3脚内接半导体光敏元件，是激光接受部分，它的作用是监测发出的激光强度。POT2半导体激光管具有体积小、重量轻、耗电低、驱动电路简单、调制方便、耐机械冲击以及抗震动等优点，但它对过电流、过电压极为敏感。流经半导体激光管的电流会随工作温度的升高而增大，半导体激光管易因过流而损坏。因此，在使用时，要特别注意不要使其工作参数超过其最大允许值。采用直流恒流源驱动半导体激光管的方法能解决这一问题。图5是为POT2设计的直流恒流源驱动电路，其工作原理是：流经POT2的1、2脚电流因工作温度的升高而增大时，激光输出会随电流的增大而增加。激光输出强度的增加，使1、3脚内光敏元件电阻减小，A点电位升高，Q2导通量增大，B点电位下降，Q1集电极电流受控减小，致使流经POT2的1、2脚电流减小，反之亦然。调整可调电阻VR，使流经POT2的1、2脚电流为其典型值35MA。该电路结构简单、可靠，实际使用效果好。

三、半导体激光发射器调试和使用方法：

1.半导体激光发射器电路安装好后，在未装入壳体前，先调整激光光斑。打开电源开关，让激光射向远处墙壁，轻轻旋出或旋入光斑调整部件，得到最明亮、大小合适的激光光斑。

2.根据实验需要，选择单束或双束半导体激光发射器，放置在相应的位置上，扭松高度调整锁紧螺钉，调整半导体激光发射器的高度，以适应不同光具的需要，得到最清晰的光线径迹，合适后扭紧高度调整锁紧螺钉。

3.拧松双束激光发射器上端的发射器转动锁紧螺钉，拨动上端的激光发射器，可改变光束的方向。方向确定后，拧紧锁紧螺钉。

4.扭松半导体激光发射器伸缩镜头调整螺钉，调整激光出口伸缩镜头进出位置，可调整出射光线的起点位置，合适后扭紧伸缩镜头调整锁紧螺钉。

四、本组合装置创新点

1.自行设计组装的磁性底座半导体激光发射器，外形小巧，耗能低，造价低，发射的光束明亮，无须暗室，光束径迹能清晰地显示在示教板上，能调整其高度与光束径迹起点位置，使其能配合各种不同高度的光具；

2.能单独放置且能发射两束光线（其中一束光线可任意改变出射角度）的半导体激光发射器和单独放置能发射一束光线的半导体激光发射器，可移动放置和调整组合发出不同方向的光线，给各种光学实验提供合适的光源。克服了原实验室配置的光学演示仪由氦氖激光器发出一束光线后分成五束，一束比一束暗淡且不能随意移动的缺点；

3.半导体激光发射器和各种光具均安装在磁性底座上，可任意移动放置在亲磁性示教板上，组合成各种光路实验，克服了原实验室配置的光学实验装置光源固定，移动受限，光具只能悬挂在示教板的横梁上或固定在示教板中间，不便组合成多种光路实验的缺点；

4.设置测距、测高的水平、垂直量尺，便于读取实验数据；

5.在示教板左侧设置可改变方向的光屏，便于观看光的干涉衍射现象。

五、实验举例

1.光的反射定律演示实验

如图6所示，将带磁性底座的光度盘放置在亲磁性示教板中间，把带磁性底座的反射镜按图6位置安放在光度盘上。把半导体激光发射器放在合适位置，调整其高度，使光束的径迹清晰地落在光度盘正中位置，轻转光度盘，使入射光线以不同的入射角射向平面镜，读出反射角，分析对应的入射角和反射角的关系，得出光的反射定律。

2.杨氏双缝干涉实验

将扩束镜安置在带磁性底座的光具架上，将刻有双缝的照相片安置在带磁性底座的夹持架上。把半导体激光发射器、扩束镜、双缝的照相片按图7的位置摆放在亲磁示教板上。调整半导体激光发射器的高度和激光发射方向，调节夹持架，使双缝置于扩束镜光路中。调节扩束镜与双缝距离，使光束正好充满双缝。观察光屏上产生的干涉条纹。变更双缝间距，比较干涉条纹间距的变化，验证条纹间距的公式。

本组合装置不需暗室，可在教室演示光的直线传播、光反射、光折射、透镜成像规律，潜望镜、望远镜、照相机成像原理，光的干涉、衍射等50多个光学实验。可供老师教学演示用，学生实验用，探索性实验用。

作者简介：曾克夫（1953—），贵港职业学院高级物理实验师，工程师，主要研究方向：学生创新能力培养、教学实验仪器创新设计等。