光学设计实验（方案设计）报告
课程现代光学设计实验
实验题目物质折射率测定实验评分
学生姓名彭家琪学号 0942052038 学生姓名赵晓琛学号 0942052039 学生姓名李艺学号 0942052077 学生姓名董道林学号 0942052078 实验时间地点分组
电子信息学院专业实验中心
一、实验目的
结合理论基础与实际应用，实现光电的有机结合。
二、实验内容及要求（本实验需要做的事情）
本课程是一门以实践为主的综合实验技术课，要求在已学过的波动光学、数字电路、模拟电路等相关基础课、专业课和实验课的基础上，提出一套实用的物质折射率测定方案，设计必要的光学系统和硬件电路，完成光电信号的转换，物理信号与硬件电路的有机结合，实现对物质折射率的准确测量。
三、实验设计方案（根据题目及要求用语言和框图的方式说明硬件电路和控制软件各部分的组成）
1折射率检测的原理分析：我们小组希望能够利用杨氏双缝干涉来测量物质的折射率。
考虑获得稳定干涉条纹的三个必要条件：1，两束光波的频率应当相同；2，两束光波在相遇处的振动方向应当相同；3，两束光在相遇处应有固定不变的相位差。
所以我们选用了具有很高相干性的YAG激光器作为光源（而如果选用普通光源的话，观察屏上的干涉条纹可能不容易检测）。
2 检测系统主要由四大功能模块组成：光学检测模块，信号处理模块，供电
模块与功能扩展模块。
系统功能框图如下
光学检测模块主要用于将光信号转化为电信号。
四象限探测器将探测到的光强转化为相应的电流信号，而我们需要的是电压信号，因此在进行差分之前必须利用信号处理模块中的前置放大电路将电流信号转化为电压信号。
而差分放大电路用于实现对零级亮纹的准确测量。
供电模块用于给前置放大电路以及差分放大电路提供电源。
功能扩展模块主要用于对两路差分输出值实时显示。
3检测系统的光学结构组成图如下：
光路搭建过程中的注意事项：激光束应该尽量保持水行，要特别注意各个物理参数的设定，以使干涉条纹达到最好的状态，同时传感器在屏幕上位置要做到尽量的精确，这是决定探测精度的一个重要因素。
同时如何选择合适的传感器也是决定检测精度至关重要的因素。
4四象限探测器分为雪崩光电二极管（APD）四象限探测器和PIN光电二极管（PIN）四象限探测器。
二种四象限探测器各有优点，雪崩光电二极管信噪比较高，工作电压一般为150V-350V，受温度影响高，信号电路复杂。
而PIN光电二极管信噪比较低，工作电压一般为10-15V（@0.85um）60V-80V(@1.06um)，受温度影响低，信号电路简单可靠。
所以综合考虑后我们选用1.06um的PIN光电二极管。
选择四象限探测器的注意事项:
1要选用那些对人眼不会有伤害的波长范围的波长作为工作波长。
2由于四象限探测器受温度的影响比较大，所以我们一般都让四象限探测器工作在恒温的暗室里面。
5I/V转换电路：
四象限探测器探测到光强并转化成相应的电流信号，而我们需要的是电压信号，因此在进行差分之前必须将电流信号转化成电压信号。
选择运算放大器AD8603 进行I /V 转换。
VO = － ( IsRf + I1R1) = － ( IsRf + IsR1 + I2R1)= － ( IsRf + IsR1 + IsRfR1/R2)= － Is( Rf + R1 + R1Rf/R2)
取R1=5KΩ RF=1KΩ R2=1KΩ
由式可知，可以调节R1与R2的比值来实现所需要的放大倍数，而不需要将反馈电阻Rf设得太大，这样就减小了噪声的干扰。
运算放大器AD8603是单路、微功耗、轨到轨输入和输出放大器，具有极低的失调电压以及低输入电压和电流噪声特性。
6 差分放大电路
根据与I/V转换电路中放大器的选择一样的原则，我们选择了LM324作为集成运放。
如果在理想的运算放大器１端加电压激励ｕｉ１，２端加电
压激励ｕｉ２，则由虚短虚断得Up ≈Un，Ii≈０。
则有I1＝I4，（Ui1－Un）/Ｒ1＝（Un－Uo）/Ｒ4（１）
I2＝I3，（Ui2－Up）/Ｒ2＝Up/Ｒ3（２）
由此可以解得
I2＝Ui2/（Ｒ２＋Ｒ３）（３）将Up＝Un＝I2Ｒ3 ＝Ｒ3Ui2／（Ｒ２＋Ｒ３）带入式（１）
有I1＝１/Ｒ１［Ui1－Ｒ3（Ｒ2＋Ｒ3）/Ui2］＝１/Ｒ1Ui１－Ｒ3/Ｒ1/（Ｒ2＋Ｒ3）Ui2
R1=R2=R3=R4=10KΩ
7 电源部分的设计
输入电容C1、C2用于抑制纹波电压，输出电容C3、C4用于消振，缓冲冲
击性负载，保证电路工作稳定。
同时由于输出电容C3、C4的存在，容易发生电容放电而损坏稳压器，RV1和RV2是滑动变阻器，可以调节输出的电压。
R1和R2是限流电阻，防止线路电流太大。
稳压三极管我们选择了LM7805，它的主要特点是LM7805集成稳压三极管输出电流可达1A,输出电压为5V，并且可以过热保护以及过流保护，输出晶体管SOL保护。
8由I/V，差分电路，电源三部分组成的电路板（PCB）如图
四、参考文献
《差分放大电路输入电阻的合理计算》《光电离传感器中微电流检测电路的设计》《现代光学设计实验（二）》
《模拟电子技术教程》
《物理光学》
《数字电路》。