分光计测三棱镜折射率试验操作步骤的优化分析

2022-01-12白旭峰杨艳丽曲保平

光源与照明 2021年6期

白旭峰，杨艳丽，曲保平

晋中信息学院，山西晋中 030800

0 引言

分光计是用于精确测量光线偏转角度的工具，可以观察到复色光的色散现象，测量光的波长等。分光计测三棱镜折射率试验的难度系数较大，在试验过程中容易遇到各种问题，影响试验的顺利进行。为了进一步提升分光计测三棱镜折射率的效率，文章对分光计测三棱镜折射率试验的步骤进行优化。

1 分光计

分光计是由望远镜、载物台、平行光管、读数装置及底座组成的一种光学测量仪器，要想实现精确测量，需要满足以下三个条件：（1）望远镜聚焦无穷远，即望远镜适合观察平行光；（2）望远镜平轴、平行光管光轴和载物台平面与分光计的中心轴垂直；（3）平行光管折射出的是平行光。分光计调节的主要难点在于如何满足第二个条件，尤其在对于望远镜光轴、载物平台及分光计的中心轴垂直的调节[1-2]。

2 试验操作步骤

2.1 折射率公式推算

光线示意图如图1所示。

图1 光线示意图

图1 中，入射光线夹角δ表示棱镜偏向角，涉及的折射定律与几何关系：sini1=nsini2，nsini3=sini4，i2+i3=a，δ=i1-

偏向角δ与光线的入射角i1之间有一定的关联。根据上述功能可知，当入射角＝i1出射角i4时，此时δ值最小，即最小偏向角δmin。由此可得

结合折射定律，可得棱镜玻璃的折射率为

由此可知，要想计算出三棱镜的折射率，首先需计算出三棱镜的顶角α和入射光的δ[3]。

2.2 顶角的测量

采用自准法进行三棱镜顶角测定，需要先将目镜照明镜打开，让光线从望远镜光管中射出，并垂直入射在三棱镜的表面上，使人在目镜中清晰观察到平面镜中反射回来的绿色十字叉丝像，如图2所示。

图2 三棱镜顶角测定

试验过程中需注意以下操作要点：（1）对载物台的高度进行调节，使三棱镜与望远镜光管保持在一个水平面上；（2）转动目镜视度对手轮进行调节，获得清晰的目镜视角；（3）三棱镜贴在望远镜的边缘上，松开望远镜的螺丝，伸缩目镜，让反射的十字叉丝像聚焦成像后拧紧螺丝，将三棱镜放回载物台；（4）调节望远镜光轴，使其达到一个平衡状态，使反射光进入望远镜光管；（5）通过水平仪对载物台的水平状态进行调节，使目镜在三棱镜的反射面上能够看到绿色十字叉丝像。

在试验过程中，需对以上要点予以关注，并确保各项均能够满足要点，这样才能够快速找到反射面上的绿色十字叉丝像，将竖线与分划板中央竖线对齐，下游标1.2读数记作θ1、θ2、θ1′、，可得望远镜转过的角度φ为

顶角α=180。-φ。

2.3 最小偏向角的测量

首先确定入射光线的位置与角度，取下三棱镜后，将望远镜光管与平行光管对齐，打开钠黄光光源。调节狭缝宽度，确保望远镜的目镜中可以观察到竖直、清晰的亮黄线，转动望远镜光管，使亮黄线与分划板中心竖线对齐[4]，下游标的读数记作并将三棱镜放回置物台。

如图3所示，使得AB透光面能够与平行光管垂直，BC是磨砂面，依照折射定律，出射光在入射光右方，向右旋转望远镜光管，顺利找到出射亮黄光线，依照顺时针方向转动载物台，观察出射光线移动状况。若光线依照顺时针的方向移动时，也应顺时针的方向转动载物台，转动到某一个位置时，光线会突然沿逆时针的方向转动，此时出射光线的位置即δmin方向，此时固定载物台，旋转望远镜光管，使出射光线与分化板中央竖线重合，下游标1、2的读数记作、，可得

图3 测量最小偏向角

3 误差分析及步骤优化措施

3.1 误差分析

分光计在试验使用中，分为粗调和细调两种，其中粗调是细调的基础。粗调的最佳状态是能够使平面镜的正反面正对望远镜的光筒时，都能够通过目镜观测到绿色十字像。但是，在具体试验操作过程中，由于部分人员缺乏相关的经验，在粗调时往往过于注重速度而忽视了对分光计的调整，直接进行了细调，进行望远镜反射绿色十字像的观测，或是在粗调时，目测载物台、望远镜及平行光管的水平状况，未能寻找到合适的参照物作为参考标准，因此难以达到理想的水平状态，影响了光线出入射的角度，难以达到试验效果。使用双面反射镜进行细调时，还可能会遇到以下几种情况：一是当平面镜的一个面调整好后，同时找到了叉丝像，但是在转动180°后却无法找到叉丝像；二是平行平板与三棱镜不在一个高度上，因此在调好互换后也难以达到一个理想的状态[5]。