专利名称：法拉第效应实验装置的制作方法
专利说明
一、技术领域本实用新型涉及法拉第效应实验装置。尤其是一体化法拉第效应实验装置。
三
发明内容
本实用新型的目的是提供一种法拉第效应一体化教学实验装置。该装置将通常实验用的全套机械、光学及电子仪器整套装置优化组合在一台设备中。整套装置设计着重考虑各个部分功能配合，省略了一些独立仪器部件与此装置无关的功能，在保证实验精度的基础上大大降低了设备成本和所需占用的空间。整个装置为该实验在高校本科阶段的开设提供了可能性。全密封结构使得实验可以在弱光环境下进行，无需使用暗室。
本实用新型的目的是这样实现的一体化法拉第效应实验装置，包括光源、单色仪、透镜组、电机带动斩光盘构成的斩光器、测量光束垂直起偏和检偏镜、线包电磁铁及电磁铁电源、光电倍增管及电源构成，在电磁铁中轴线设有中空通道作为光通路，在电磁铁两线包中间设有安置更换所测样品的导轨，起偏和检偏镜均设在电磁铁中轴线设有的中空通道光通路上，检偏镜光路上安装光电倍增管，其特征是光电倍增管连接锁相放大器，所述锁相放大器是固定参考频率和相位的专门放大器，锁相放大器的参考信号输入端为来自斩光器上输出的斩光同步信号即偏振光调制信号。
本实用新型的特点是通过对装置整体和锁相放大器的简化设计在保证实验精度的基础上大大降低了设备成本和所需占用的空间。整为该实验在高校本科阶段的开设提供了条件。省略了一些独立仪器部件与此装置无关的功能，本实用新型可以制成全密封结构，使得实验可以在弱光环境下进行，无需使用暗室。
光源部分实验中测量光为可调波长的单色光，光源采用可见光波段的白炽灯。白光通过单色仪分光得到可见光波段的近单色光。为保证在不同波段有一定的单色性和适合的亮度，设备设计有一可调狭缝。同时入射狭缝前和出射狭缝后加有透镜组。单色光波长有分光镜联动转盘和刻度读出。
斩波器斩波器是为了提高装置精度和抗干扰能力配合锁定放大器而设计的。本装置中的斩光器是由5V直流电机带动斩光盘以每秒100转左右的速度转动。测量光束垂直于并通过斩光盘上的一点，斩光盘旋转时，此点对应斩光盘上的一个圆周。斩光盘在此圆周被等间隔间歇开空，闪此斩光盘旋转后光路呈现通断状态，且光路通断时间相同，即可以看作光强被一方波调制。这一调制方波的同步信号由另一路光发射接受装置来获得。在斩光盘偏振光圆周的另一点垂直与斩光盘垂直线上，安装上红外发射接受装置。注意的是最好要与主光路保持零相位光源，以便取消相位调整回路达到简化锁定放大器驹目的。此斩光光源同步电信号，经过放大整形后送至锁定放大器作为参考输入。
起偏和检偏镜检偏器是用尼科耳棱镜装在一个可以手动旋转的精密刻度盘上，手动旋转刻度盘可精确地在士180″范围旋转尼科耳棱镜，并有刻度可以读数。如果需要提高精度可采用蜗轮蜗杆结构增加调节精度。考虑到装置尺寸和转盘精度关系，本装置转盘直径在200毫米。读数精度0.25°。
线包提供电磁铁的磁性，设有电磁铁电源，电磁铁是提供偏转磁场的重要器件，采用双线包，纯铁铁芯。线包直径200毫米左右，针对实验中选用样品尺寸大小不同设计磁极距离可调节，短时间使用无需水冷。电磁铁中轴线开直径5毫米通空7作为光通路。在电磁铁两线包中间设有样品导轨5，作为安置更换样品之用。励磁电源设计为精密稳流电源，最大提供10A电流。电源采用大功率三极管设计具有稳定度高、纹波小、电磁污染小等特点。恒流源设计不会由于电磁铁线圈受热后电阻变化等原因而波动，克服稳压电源电流不稳定造成磁场不稳定的间隔。电源的散热为自然风冷，和机壳融为一体紧凑美观。设计提供数字电流显示，分辨率0.01A。以实验样品φ8×8样品为例，最大磁场强度可达到1.2特斯拉。
光电倍增管及电源偏振光经过检偏器后到达光电接受器，需将光强度转化为电信号后送到前置放大器。光电接收采用光电倍增管，型号华东电子管厂的GD195光照灵敏度大于100A/1m。该光电倍增管灵敏度高，光谱范围宽，最大阳极电压为1000V。倍增管被安装在开有端窗的黑色金属暗盒中，金属可以对其起到电磁屏蔽的作用。倍增管的电源采用模块式可调高压稳压电源，电压调节范围100V至1000V。因为光电倍增管的放大倍数与阳极电压成正比，因此电压调节电位器连接到装置的面板，作为装置灵敏度调节旋纽。同时在光通量较大时降低阳极电压，减小灵敏度可以对倍增管起到保护作用。
锁相放大器如图2所示，完成光电转换后，电信号送至后级锁定放大器放大。本实施例中锁定放大器由多级运算放大器(LM741)构成。锁定放大器由三个运算放大器组成仪表放大器作为前置放大，具有良好的抗共模干扰能力。4053模拟开关组成同步积分电路，后级低通滤波滤除乘法器输出信号中的高次谐波。
通常的锁定放大器可由噪声中提取一定频率相相位的弱信号，被放大信号的频率和相位的依据参考通道的输入信号选择。装置中的锁定放大器是固定参考频率和相位的专门放大器，参考信号来自斩光器上输出的斩光同步信号即偏振光调制信号(图中Y)。因设计中保持了参考信号与斩光信号同频率同相位，因此无需移相环节。锁定放大器输出经过A/D转换送到89C51单片机进行数据出来后数字化输出LED显示，作为光强信号指示。如果有需要数据可以通过串行口送给计算机进行处理。
数字式特斯拉计(用于电磁铁的磁感应强度标定)为了准确测量出样品所在位于的准确磁感应强度，本装置设计配有专门标定磁感应强度的数字式特斯拉计。与通常特斯拉计一样，量程为1200毫特斯拉，分辨率为1毫特。不同之处在于特斯拉计霍尔探头被安置在一个样品安置导架上。为保证测量出的磁感应强度就是样品所在位置的强度霍尔探头与被测样品在导架上安装位置必须一致。在每一次改变磁场后需从样品导轨上取下样品导架，换上特斯拉计探头插到样品位置，测量出新的磁场强度大小。该特斯拉计是数字三位半显示。
装置设计要点，确保足够灵敏度范围偏转角的检测方法是调节检偏转盘使得输出信号最小，这是因为当信号输出最小时检偏器的偏振方向与输出光的偏振方向相互垂直，信号输出处于正弦函数的过零点，该点斜率大，检测灵敏。另外，最小输出时可以增加后级增益而输出不至于饱和，后级灵敏度的增加也就增加了检偏灵敏度。而在大信号输出时需要观察到输出信号的变化方向，此时信号很强，后级必须在低增益状态工作才不会饱和。通过改变光电倍增管的阳极电源电压是改变检测灵敏度的很好方法，同时也可以改变锁定放大器的前级放大倍数改变灵敏度。但是各级之间的输出输入变化比较大，级间保护必须做好。
精密大电流稳流电源提供励磁电流稳流电源设计由运算放大器LM324和廉价大功率三极管3DD15D构成闭环结构因此输出电流稳定，为了避免环路自激可加入负反馈去耦合电容。单个二极管3DD15D无法达到本设计最大10A输出电流的耍求，可以选用20个以上3DD15D并联构成，即所有功率管的3DD15D的基极、发射极和集电极均并联，发射极上串联均流电阻，基极上串有二极管。按图示方法组成复合管，图中R为均流电阻，D为隔离二极管。所以三极管均匀分别在装置后面板的铝板上，既利用散热又可紧凑安装。
装置安装与配合所有组成部件被针对性设计安装在同一个机壳内。为了使装置能在弱光条件下使用机壳有较好的密闭性能。除了检偏器调节盘的缝隙和样品导架孔，其余匀有良好密闭。为保证光路稳定可靠，主要器件均固定在10毫米厚的钢板平台上。单色仪、起偏检偏器、电磁铁和光电倍增管作为主要部件被首先安置，电源变压器、锁定放大器板、电源板以及斩光电路器件则安置在主部件安装空隙，并且将发热元件紧靠靠后面板安装，保证装置紧凑和散热良好。
实际实验结果以下先以一个选定的光谱波长λ＝612nm条件测量，已知d＝0.008m，费尔德常数为319。给出测量结果表示计算检偏角度与实际检偏角度的误差小于2％。
权利要求1.一体化法拉第效应实验装置，包括光源、单色仪、透镜组、电机带动斩光盘构成的斩光器、测量光束垂直起偏和检偏镜、线包电磁铁及电磁铁电源、光电倍增管及电源构成，在电磁铁中轴线设有中空通道作为光通路，在电磁铁两线包中间设有安置更换所测样品的导轨，起偏和检偏镜均设在电磁铁中轴线设有的中空通道光通路上，检偏镜光路上安装光电倍增管，光电倍增管连接锁相放大器，所述锁相放大器是固定参考频率和相位的专门放大器，锁相放大器的参考信号输入端为来自斩光器上输出的斩光同步信号即偏振光调制信号。
2.由权利要求1所述的一体化法拉第效应实验装置，其特征是可以选用20个以上3DD15D并联构成，即所有功率管的3DD15D的基极、发射极和集电极均并联，发射极上串联均流电阻(R)，基极上串有隔离二极管(D)。
专利摘要一体化法拉第效应实验装置，包括光源、单色仪、透镜组、电机带动斩光盘构成的斩光器、测量光束垂直起偏和检偏镜、线包电磁铁及电磁铁电源、光电倍增管及电源构成，在电磁铁中轴线设有中空通道作为光通路，在电磁铁两线包中间设有安置更换所测样品的导轨，起偏和检偏镜均设在电磁铁中轴线设有的中空通道光通路上，检偏镜光路上安装光电倍增管，光电倍增管连接锁相放大器，所述锁相放大器是固定参考频率和相位的专门放大器，锁相放大器的参考信号输入端为来自斩光器上输出的斩光同步信号即偏振光调制信号。本装置集成了实验需要的分立装置，既保证主要参数性能，又缩小体积，测量准确、操作清晰快捷，降低了实验装置成本。
文档编号G09B23/00GK2565095SQ0226300
公开日2003年8月6日 申请日期2002年7月10日 优先权日2002年7月10日
发明者刘先昆, 张骏, 潘红兵, 纪圣谋, 徐健健 申请人:南京大学