实验十三分光计的调整和使用

1、实验十三 分光计的调整和使用分光计是一种准确测定光线偏转角度的精密仪器，所以，分光计又叫测角仪。它是光学实验常用的仪器，可以用来测定折射率、波长，还可以用来做光的偏振实验。分光计是精密的光学仪器，部件多而且复杂，初学者使用往往难于掌握，操作时一定要弄清各部件的作用，了解其工作性能，严格按规则使用，切忌乱扳硬拉，以免损坏仪器。【实验目的】1、了解分光计的构造原理和各部件的作用；2、学习分光计的调整方法，并用分光计测定三棱镜的顶角。【实验仪器】JJY1/分光计、平面镜、三棱镜、汞灯及光源。图3.13-1 JJY1/型分光计1.狭缝装置 15.望远镜微调螺钉 2.狭缝套筒锁紧螺钉 16.主刻度盘度盘

2、止动螺钉3.平行光管部件 17.望远镜制动螺钉4. 制动架 18.制动架5.载物平台 19.底座6.载物平台调节螺钉(3只) 20.转座7.载物平台锁紧螺钉 21.游标盘8.望远镜部件 22.主刻度盘9.望远镜锁紧螺钉 23立柱10.阿贝式自准直目镜 24.游标盘测微螺钉11.望远镜目镜焦距调节鼓轮 25. 游标盘止动螺钉 12.望远镜光轴高低调节螺钉 26. 平行光管光轴水平调节螺钉 13. 望远镜光轴水平调节螺钉 27. 平行光管光轴高低调节螺钉 14.支臂 28. 狭缝宽度调节螺钉分光计的结构分光计的构造主要由五部分组成：底座、望远镜、平行光管、载物台和读数圆盘。我们实验室使用的分光计是

3、JJY1型，它的结构图分别如图3.13-1所示。下面我们分别对它们进行介绍：1、底座底座（19）是整个分光计的支座。底座中心有沿铅直方向的转轴，称为仪器的中心转轴。2、自准望远镜望远镜（8）是由物镜和阿贝式自准直目镜组成，在图1的右上方。其中物镜固定在望远镜的前端，它是消色差的复合正透镜。目镜系统由目镜、分划板、阿贝棱镜和照明系统组成。望远镜可以带动读数游标绕分光计的转轴转动。3、平行光管平行光管（3）是用来产生平行光的，在图的左上方。它是由一个消色差的正透镜（物镜）和一个宽度可调节的狭缝组成。狭缝装在一个可伸缩的套筒一端。4、载物平台载物平台（5）是用来放置光学元件的，如光栅、棱镜等。它可以

4、和读数圆盘一起绕分光计的转轴转动。平台下有三个螺钉，是用来调节平台的水平度的。5、读数圆盘读数圆盘能绕中心轴旋转的水平刻度盘。由度盘（22）和游标盘（21）组成，共同套在中心轴上，刻度盘上刻有分格为半度的圆周角。在游标盘两对称方向设有两个游标读数。测量时读出两个读数值和，然后取平均值，这样一来可以消除度盘偏心引起的误差。【实验内容】1、根据分光计的结构原理和调整方法调整分光仪，使其进入准备工作状态；2、用反射法、自准法测三棱镜的顶角。【实验步骤】分光计的调节为了保证准确测量，使用分光计必须按要求对分光计进行调节。1、熟悉结构。先把分光计专用电源接通，使灯泡发光。可按照分光计的结构图和实物，熟悉

5、分光计的各部件的功能，为熟悉各螺钉的作用，可逐 一转扭螺丝（转动、锁紧、微动）。2、目视粗调。用眼睛估测进行目视调节，将望远镜转至与平行光管在一条直线上，调节望远镜筒和平行光管的仰角螺钉，使二者处于同一水平线上。调节载物平台的高度及螺钉（6）使台面水平并与中心轴垂直，同时保证平台与望远镜光轴平行。然后再对各部分进行精细调节。目视调节这一步调节很重要，只要这步调节较好就可以大大减小精细调节的盲目性，缩短精细调节的过程。3、分光计的精细调节分光计精细调节要求满足以下三点：将望远镜聚焦调到无穷远（自准直调节）望远镜要能接受平行光，首先应将它调焦到无穷远。JJY1型分光计的望远镜属于阿贝式自准直望远镜

6、，它的内部结构如图3.13-2。在分划板下方有一个照明灯泡，灯泡发出的光，经紧贴分划板的棱镜反射，把分划板的叉丝照亮，由目镜观察在分划板下部可看到棱镜的十字透光窗，当望远镜调到无穷远时，物镜的像方焦平面与目镜的物方焦平面重合，分划板所处位置正好在物镜和目镜的焦平面上，由分划板下方亮“十”字发出的光由物镜平行射出。如果把平面反射镜置于载物台上，且与望远镜光轴垂直，那么由物镜射出的光，经平面反射镜反射，经物镜再次聚焦，在分划板上方就形成亮“十”字反射像，此时从目镜中既看到叉丝发亮“十”字，又看到反射“十”字像。如果通过目镜只看到叉丝是清晰的，而反射的“十”字像却是模糊的，说明望远镜没有调焦到无穷远

7、，不能接受平行光。调节方法：接通灯泡电源，通过目镜观察分划板，同时转动目镜筒（11）直至看清分划板上刻线和发光“十”字。然后在载物台上平面反射镜（或三棱镜的一个反射面），使反射镜面与望远镜光轴垂直，再通过目镜在分划板上去寻找亮“十”字反射像，一般情况（目视调节较好）此时可以看到一个亮斑，微微转动载物台，亮斑也回随着移动。松开锁紧螺钉（9）移动目镜筒，调节物镜至分划板距离即对望远镜进行调焦，使反射“十”字像清晰。望远镜调好各部分的相对位置就不能再动！（2）调节望远镜光轴和仪器中心转轴垂直：上面调节是使望远镜能接受平行光，但一般看到的清晰“十”字像不与分划板上方“十”字叉丝重合，偏高或偏低，这表明

8、望远镜光轴和仪器中心转轴不垂直。调节方法：调节望远镜水平调节螺（3），使“十”字像的竖直线与分划板叉丝竖线重合，如图3.13-3由（）到（）。注意：为了便于调节，载物台上放置的平面镜反射面应垂直于平台下方螺钉（6）任意两个的连线。当“十”字像位于图3.133（）所示位置，调节望远镜光轴高低调节螺钉（12），使“十”字像向分划板横线靠近一半的距离，再调整平面反射镜下方的平台螺钉（6）使“十”字像位于图3.13-3（）所示的位置。转动载物平台使平面反射镜的另一个反射面正对望远镜，重复上述调节步骤，使反射“十”字像与分划板叉丝上方“十”字重合。如此反复调节，使两个反射面对准望远镜物镜时，反射的“十”

9、字像都位于叉丝上方中心为止，此时望远镜光轴与仪器中心转轴垂直。（3）平行光管出射平行光，且平行光管光轴垂直于仪器中心转轴。取下平面镜，将光源照亮狭缝，使望远镜正对平行光管，松开狭缝的锁紧螺钉（2），伸缩狭缝装置（1），使在望远镜中看到清晰的狭缝像时再锁紧（2），通过调部件（26）、（27），使狭缝正好在望远镜视场的中央并与分划板竖线重合，至此平行光管已符合要求。 （a） （b） （c）图3.13-3 调望远镜光轴与中心轴垂直注意：使用平行光管时，严禁将狭缝合拢，未从望远镜中观察时，不准调节狭缝螺钉（28），测量时狭缝宽度保持1左右。完成以上调节及可进行精密测量。严格说来，在使用分光计进行精确测

10、量时，必须进行精细调节。但在要求不高的情况下，也可以在粗调的条件下实现测量。粗调就是在目视基础上，满足于望远镜对无穷远调焦，先将望远镜调好后，以望远镜为准，再调节平行光管出射平行光，这样就可以满足一般测量。其望远镜和平行光管的调节与上面相同。分光计的使用1、分光计上的读数：分光计上的读数装置为弯游标，刻度原理和读数方法与直游标相同。弯游标由刻度外圆盘（主尺）和游标内盘（游尺）组成。外圆盘刻有3600，每度分为两小格，即主尺最小分格读数为30/，游尺刻有30个格，故游标格值数为1/，如图3.13-4所示。分光计的游标度盘和主尺盘在加工和装置的过程中不可能使圆心十分吻合，这种由于两圆不同心而产生的

11、读数偏差，称为偏心差，属于仪器系统误差。消除它的方法是在刻度盘上对称的位置安装两个游标窗口（位置正好相差1800），每取一个角度的读数必须分别从两个窗口、上读数。要测一个角度必须还要有另一组、之读数，故所测角度之值： （在窗口） （在窗口）图3.13-4 弯游标读数、为第一次测试读数值，、为第二次测试读数值。望远镜实际转动角度为：2、使用分光计测三棱镜顶角：（1）反射法测定三棱镜顶角图3.13-5所示置三棱镜于载物台上，顶角正对平行光管，且使顶角几乎位于平台中央而稍微偏向平行光管，使、两面均能看到狭缝的反射像为准，将望远镜转至面一边，使面反射的狭缝像的中心与望远镜分划板竖线重合，记下两读数窗口

12、数、；在固定载物台情况下，将望远镜转至面的一边，使狭缝像同样对准分划板竖线，记下、读数值，于是有根据几何关系可以证明顶角：（2）用自准法测三棱镜顶角如图2.17-6所示。固定平台，转动望远镜，使望远镜光轴与棱镜面垂直（即使棱镜面反射叉丝像与分划板上方叉丝重合），记下读数、，然后转动望远镜，使其光轴与面垂直，再记下、，两次读数相减即得顶角的补角，从而得到：其中 【数据处理】列出表格记录数据，计算出三棱镜顶角及其误差值，并正确表示测量结果。分析与讨论实验结果。参考表格：表一：反射法测定三棱镜顶角 12345 表二：自准法测定三棱镜顶角 12345【思考题】1、总结分光计精细调节应满足哪几点要求？怎

13、样判断是否调节好？2、读数时如何消除视差。3、在望远镜调焦时，为什么当观察到的亮“十”字叉丝像清晰时，说明望远镜已聚焦于无穷远？实验十四 迈克尔逊干涉实验1881年，美国物理学家迈克尔逊发明了迈克尔逊干涉仪，这是是利用分振幅法产生双光束以实现干涉的一种仪器。此后，迈克尔逊与化学家莫雷曾用此仪器进行了三项著名的实验，即测光速实验、标定米尺及测量光谱线精细结构。迈克尔逊运用它进行了大量的反复的实验，动摇了经典物理的“以太说”，为相对论的提出奠定了实验基础。该仪器设计精巧，用途广泛，很多干涉仪均由此派生出来，所以说迈克尔逊干涉仪是许多近代干涉仪的原型。迈克尔逊因干涉仪的发明、光速的测量以及光谱学、基

14、本度量学方面的研究成果而获得1907年诺贝尔物理学奖。直至今日，迈克尔逊干涉仪仍被广泛地应用于长度精密计量和光学平面的质量检验（可精确到万分之一毫米）及高分辨率的光谱分析中。迈克尔逊干涉仪是一种著名的经典干涉仪，在近代物理和近代计量技术中，迈克尔逊干涉仪占有一定的地位，特别是激光出现后，得到了单色性非常好的光源，迈克尔逊干涉原理得到了更广泛的应用。【实验目的】1、掌握迈克尔逊干涉仪的调节方法并观察各种干涉图样；2、用非定域干涉测量氦氖激光波长；3、区别等倾干涉、等厚干涉和非定域干涉，了解光源的时间相干性。【实验仪器】迈克尔逊干涉仪、He Ne激光器及电源、小孔光阑、扩束镜（短焦距会聚透镜）、毛

15、玻璃屏。【预习思考题】1、补偿板的作用是什么？2、如何调出同心干涉条纹？3、分析薄膜厚度对条纹间距的影响？【实验原理】1、迈克尔逊干涉仪的构造 干涉仪主要部件是精密的机械传动系统和四片精细磨制的光学镜片。图3.14-1中5和4即分光板和补偿板，是两块几何形状、物理性能相同的平行平面玻璃。其中的第二面镀有半透明铬膜，称为分光板，它可使入射光分成振幅（或光强度）近似相等的一束透射光和一束反射光。起补偿光程作用，称为补偿板。和是两块表面镀铬加氧化硅保护膜的反射镜。固定在仪器上，称为固定反射镜，装在可由导轨前后移动的拖板上，称为移动反射镜。确定的位置有三个读数装置：主尺在导轨的侧面，最小刻度为毫米；读

16、数窗可读到0.01；带刻度盘的微调读数鼓轮，可读到0.0001，估读到10-5，最后读数是上面三者之和。和 镜架背后各有三个调节螺丝，可用来调节和 的方位。（镜架背后螺丝已调好，不能再调）。此外，还可通过调节水平拉簧螺丝与垂直拉簧螺丝使干涉图像作上下左右移动。而仪器水平可通过调整底座上三个调节螺丝来达到。2、迈克尔逊干涉仪的光路干涉仪的光路如图3.14-2所示。光源上一点S发出的一束光线经分光板时，被半反半透膜分成光强大致相等的反射光（1）和透射光（2）两束光线。由于和、成450角，所以这两束光分别射向相互垂直的全反射镜和 ，经和 反射后又汇于分光板，这两束光再次被分束，它们各有一束按原路返回

17、光源（设两束光分别垂直于、），同时各有一束光线朝的方向射出。光线（1）和（2）为两相干光束，可以在的方向观察到干涉条纹。从观察位置处向分划板看去，在分划板的下表面反射下，相当于在附近形成一个虚像。因此，迈克尔逊干涉仪的原理与空气薄膜的干涉原理是等效的。由于分光板的色散作用，光程是的函数，因此作定量检测时，没有补偿板的干涉仪只能用准单色光源，有了补偿板就可消除色散的影响，且保证了光束（1）和（2）在玻璃中的光程完全相同，因而对不同的色光都完全可将等效为。迈克尔逊干涉仪的构思巧妙之处在于：和 所夹的空气层形状可以调节，如使和 平行、不平行、相交甚至完全重合，这为干涉现象提供了极大的方便；光路中把两

18、束相干光离得很远，且光源、两个反射镜和 和观察四者在空间完全分开，东西南北各据一方，以便在任何一支光路中安插被测元件，从而可进行众多干涉现象的观察、实验和测量。3、三种不同干涉类型及特点2 图 3.14-3 非定域干涉光路图 用迈克尔逊干涉仪可观察定域干涉和非定域干涉，这取决于光源的性质，而定域干涉又可分为等倾干涉和等厚干涉，这取决于和 是否垂直，也就是说和是否平行。是反射镜被分光板反射所成的虚像。当使用扩展的面光源时，只能获得定域干涉。（1）非定域干涉 用激光做光源，使激光束通过扩束镜会聚后发散，此时就得到一个相干性很好的点光源。它发出的球面波先被分光板分光，然后射向两全反镜，经、 反射后，

19、在人眼观察方向就得到两个相干的球面波，它们如同是由位于后的两个虚点光源、产生的，如图3.14-3所示。由两虚点光源产生的两列球面波，在空间相遇处，都能进行干涉，干涉条纹不定域，故称非定域干涉。非定域干涉的图样，随观察屏的不同方向和位置而异。当观察屏垂直于、连线时，则是同心圆条纹，圆心就是、连线延长线和屏的交点。如转动观察屏不同角度，则可看到椭圆、双曲线和直线几种干涉图样。 如调节反射镜的微调螺钉，使 /，此时和平行放置的观察屏上就出现同心圆条纹，圆心在光场的中心。两虚点光源间距为和间距 的两倍，即圆心处光程差为2。对于入射角相同的各束光，其光程差均为： （3.14-1）对于第级亮条纹显然是由满

20、足下式的入射光反射而成的： (3.14-2）图3.14-4 等倾干涉原理图在同心圆的圆心处 = 0，干涉条纹的级数最高，此时有： （3.14-3）当移动使间隔增加时，圆心的干涉级次增加，我们就可看到中心条纹一个一个向外“冒”出；反之，当减小时，中心条纹将一个一个地“缩”进去。每“冒出”或“缩进”一个条纹，就增加或减小了。如果测出移动的距离，数出相应的“冒出”或“缩进”的条纹个数，就可以算出激光的波长。（2）定域干涉 等倾干涉 若使用扩展的面光源，当和互相平行时，得到的是相当于平行平面板产生的等倾干涉条纹，其干涉图样定位于无限远，如果放一会聚透镜，并在其焦平面上放一屏，则在屏上可观察到一圈圈的同

21、心圆。对于入射角相同的各束光，如图3.14-4所示，其光程差均为： 在同心圆的圆心处 = 0，干涉条纹的级数最高，此时仍有： 等厚干涉 当和不平行而有一个很小的角度时，形成一个楔形的空气层，就会出现等厚干涉条纹，如图3.14-5所示。当很小，即和相交时，由面光源上发出的光束经楔形空气薄层两面反射所产生的等厚干涉条纹定位于楔形空气层的表面。要看清楚这些条纹，眼睛必须聚焦在镜附近。此时，相干处的光程差公式仍为，由于在和交线处附近很小，光程差的变化主要决定于的变化，项影响很小，可以忽略不计。因此在空气楔上厚度相同的地方有相同的光程差，就可以观察到平行的等厚干涉条纹。 图3.14-5 等厚干涉原理图当

22、变大时，入射角的变化对光程差带来的影响不能忽略，此时将引起干涉条纹的弯曲。当变大时，减小，要保持相同的光程差，必须增加，所以看到的条纹是二端弯向厚度增加的方向，而凸向厚度减小的方向。以上讨论的等倾干涉及等厚干涉，形成的干涉条纹都有一定的位置，故称这种干涉为定域（位）干涉。【实验内容】1、测量非定域干涉条纹的调节和激光波长（激光器波长的理论值为632.8）。 连同底座移动激光器，并调节升降台，使激光投射在分光镜和全反镜、的中部，激光束大致与垂直。 靠近激光器处放一小孔光阑，让激光束穿过小孔，用纸片在前挡住激光束，观察由反射产生的光点在小孔光阑上的位置，如光点横向偏离小孔，则应轻轻转动仪器底座；如光点高低不对，则应调节激光管的高低或倾斜度，使三个光点中的最亮点与小孔重合，如光阑高度不当，必要时也要升降。 然后用纸片挡住，调节后的三个螺钉，直至反射的最亮点与反射的最亮点重合。这时 与大致垂直。 在光阑后放一扩束镜使光束会聚，形成点光源，并使其发出的球面光波照射到上，在处一毛