浅谈测定光学介质折射率的几种方法

浅谈测定光学介质折射率的几种方法摘要本文介绍了几种测定光学介质折射率的常用方法，并简要给出测量原理关键词折射率；折射定律；最小偏向角；BREWSTER定律；牛顿环；全反射SEVERALMETHODSOFMEASURINGREFRACTIVEINDEXOFOPTICALMEDIUMABSTRACTTHISPAPERINTRODUCESSEVERALMETHODSOFMEASURINGTHEREFRACTIVEINDEXOFOPTICALMEDIUMANDPROVIDESTHEIRPRINCIPLEINBRIEFKEYWORDSREFRACTIVEINDEXLAWOFREFRACTIONANGLEOFMINIMUMDEVIATIONBREWSTERSLAWNEWTONSRINGTOTALREFLECTION折射率是表征透光介质折光性能的重要参量，测量物质的折射率无论是在实验学习还是在科研和生产中,都有十分重要的意义在大量的光学现象中，物质的折射率具有决定性的意义，因此对其测量的方法也比较多本文给出了几种测定光学介质折射率的常用方法，并给出了相应的测量原理,对实验技术方面的问题不作具体讨论1应用折射定律测定介质的折射率11应用折射定律测定固体介质的折射率如图1,一束光从AA面射入透光介质,经介质折射后从BB面出射,根据折射定律RINS因此,实验中我们只需测出折射角R和反射角I,或者通过测量其他量计算出的值即为待测介质的折射率RISN图112利用折射定律测定液体的折射率如图2所示,将直尺AB紧挨着杯壁竖直插入杯中,在刻度尺的对面观察液面,能同时看到刻度尺在液体中的部分和露出夜面的部分调整视线,直到眼睛从杯子的边缘D往下看时,刻度尺上端某刻度A经液面反射后形成的像与看到的刻度尺在液体中的某刻度B重合读出O,A,B所对应的刻度值,量出玻璃杯的直径D,根据几何关系和折射定律,21SINOCDD2SINOBDD2SI1DBN2应用最小偏向角法假设有一束单色平行光LD入射到棱镜上，经过两次折射后沿ER方向射出，则入射光线LD与出射光线ER间的夹角称为偏向角，如图3所示转动三棱镜，改变入射光对光学面AC的入射角，出射光线的方向ER也随之改变，即偏向角发生变化沿偏向角减小的方向继续缓慢转动三棱镜，使偏向角逐渐减小；当转到某个位置时，若再继续沿此方向转动，偏向角又图3最小偏向角的测定图2将逐渐增大，此位置时偏向角达到最小值，测出最小偏向角可以证明棱镜材料的折射率与顶角及最小偏向角的关系式为实验中，利用分光镜测出三棱镜的顶角及最小偏向角，即可由上式算出棱镜材料的折射率N3应用牛顿环测定液体的折射率一个曲率半径相当大的平凸透镜，凸面置于一光学平板玻璃之上，二者之间形成以中心接触点到边缘逐渐增厚的空气薄膜当以平行单色光垂直入射式，入射光将在空气薄膜的上下两个表面反射产生具有一定光程差的两束相干光，并且在空气薄膜上缘面相遇干涉形成以玻璃接触点为中心的一系列明暗相间的干涉圆环，即牛顿环（如下图所示）设透镜曲率半径为R，根据光程差计算，不难得出凸透镜的曲率半径公式为42NMD其中，是第M，N个暗环的直径，是入射光的波长显然,平凸透镜与平板玻璃MD之间的间隙中的介质为液体时上面的公式应写为42NNRM图3图4其中，是平凸透镜与平板玻璃的间隙中为介质液体时第M，N个暗环的直径，MDN是入射光的波长,N为液体的折射率将两式相除,将空气的折射率近似为1,便可得到如下公式2NMDN因此,只要分别测出空气介质和液体介质的第M和第N个暗环的直径,便可以根据上式计算得到待测液体的折射率4应用BREWSTER定律测定介质的折射率自然光经介质的发射折射或吸收后，产生出光波电矢量振动在某一方面具有相对的优势偏振光（如右图所示）当自然广以一般入射角射到折射率为N的介质表面时，其反射光是部分偏振光；当自然广以特殊角度I0（即BREWSTER角）入射到介质表面时，其反时光就是完全偏振光BREWSTER角与截至折射率有如下关系NI0TA上式就是BREWSTER定律在实验中，我们只需测出光经过介质BREWSTER角，根据BREWSTER定律即可算出介质的折射率5应用阿贝折射仪测定折射率折射仪的基本原理即为折射定律，N1，N2为交界面的两侧的两21SISIN种介质的折射率，为入射角，为折射角如图612若光线从光密介质进入光疏介质，入射角小于折射角，改变入射角可以使折射角达到90，此时的入射角称为临界角，阿贝折射仪测定折射率是基于测定临界角的原理图7中当不同角度光线射入AB面时，其折射都大于I，如果用一望远镜对出射光线观察，可以看到望远镜视场被分为明暗两部分，二者之间有明显分界线见图8所示，明暗分界处即为临界角的位置图5图7中ABCD为一折射棱镜，其折射率为N2AB面上面是被测物体（透明固体或液体）其折射率为N1，由折射定律得,（1）2O1SI90SI（2）N2则代入（1）式得（3）SINCOSISIN221由（2）式得推出ISIN22NCOSI代入（3）式得IINI21棱镜的折射角与折射率N2均已知当测得临界角I时，即可换算的被测物体之折射率N16结束语测定介质折射率的方法,除了以上介绍的几种外,还有许多各种方法各有优点,也各有其局限性,并且测量精度也不尽相同实验中应采取何种方法,需要根据具体情况而定,灵活应用,以期达到我们所要求的结果参考文献1国克喜，马保民，魏爱俭实验光学济南山东大学出版社，200422蔡履中,王成彦,周玉芳光学济南山东大学出版社,20023吕斯骅,段家忯新编基础物理实验北京高等教育出版社,20064任建新，吴金红测定介质折射率