唐義甲，吳言寧，韓修林

（阜陽(yáng)師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，安徽 阜陽(yáng) 236037）

0 引言

1814 年，德國(guó)物理學(xué)家夫瑯禾費(fèi)為了研究太陽(yáng)暗線，改進(jìn)了當(dāng)時(shí)的光譜觀察儀器，設(shè)計(jì)制造出了首臺(tái)由阿貝自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡、平行光管和三棱鏡組成的分光計(jì)。夫瑯禾費(fèi)設(shè)計(jì)制造的首臺(tái)分光計(jì)同現(xiàn)代相比，雖然有些簡(jiǎn)陋，但其絕妙的設(shè)計(jì)思想、精巧構(gòu)造原理仍是現(xiàn)代光譜儀、棱鏡攝譜儀設(shè)計(jì)制造的基本依據(jù)。經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，分光計(jì)在光學(xué)技術(shù)研究領(lǐng)域大顯身手，經(jīng)常被用來(lái)測(cè)量光的波長(zhǎng)、棱鏡角、棱鏡材料的折射率和色散率等[1]。

光學(xué)中的許多基本量如波長(zhǎng)、折射率等都需要直接或間接地用光線的偏轉(zhuǎn)角來(lái)測(cè)量。故作為一種精密測(cè)定光線偏轉(zhuǎn)角的儀器，分光計(jì)是光學(xué)實(shí)驗(yàn)室中必備的常用儀器。同時(shí)，分光計(jì)的基本光學(xué)結(jié)構(gòu)又是許多光學(xué)儀器（如棱鏡光譜儀、光柵光譜儀、分光光度計(jì)、單色儀等）設(shè)計(jì)制造的基礎(chǔ)，它在物理實(shí)驗(yàn)中不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能，且能培養(yǎng)學(xué)生善于運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析并解決實(shí)際問(wèn)題的能力，故JJY1 型分光計(jì)系列實(shí)驗(yàn)是理工類院校的必開(kāi)實(shí)驗(yàn)。

1 JJY1型分光計(jì)設(shè)計(jì)原理

圖1 JJY1型分光計(jì)結(jié)構(gòu)部件圖Fig.1 Structural components of JJY1 spectrometer

圖2 JJY1型分光計(jì)基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Basic structure of JJY1 spectrometer

各種型號(hào)的分光計(jì)，其設(shè)計(jì)原理基本相同，主要部件包括阿貝自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡、平行光管、載物臺(tái)（臺(tái)上安置分光用的三棱鏡或光柵）、刻度盤和游標(biāo)盤、底座五大部分，如圖1 所示[2]。

實(shí)驗(yàn)光源照射到平行光管的狹縫上，其光線經(jīng)平行光管后成為平行光，平行光照射到載物盤上的樣品后，經(jīng)樣品反射、折射或衍射發(fā)生偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡跟蹤接收偏轉(zhuǎn)平行光，望遠(yuǎn)鏡主軸繞中心轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)角度即為平行光偏轉(zhuǎn)角度。這一偏轉(zhuǎn)角度的測(cè)量和讀取通過(guò)匹配的刻度盤和游標(biāo)盤完成，光偏轉(zhuǎn)和樣品旋轉(zhuǎn)則借助準(zhǔn)直鏡、阿貝自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡和載物工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)。因此，要求準(zhǔn)直器、阿貝自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡和載物工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)表面應(yīng)與讀數(shù)盤和游標(biāo)盤所在平面嚴(yán)格平行，各旋轉(zhuǎn)表面的轉(zhuǎn)軸應(yīng)與儀器的中心轉(zhuǎn)軸重合。如圖2 所示。

儀器的讀數(shù)外刻度盤能與阿貝自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡固連在一起，可隨阿貝自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡同步轉(zhuǎn)動(dòng)，讀數(shù)內(nèi)游標(biāo)盤可與中心轉(zhuǎn)軸鎖定，這樣當(dāng)阿貝自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡繞儀器中心轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)游標(biāo)盤不動(dòng)，讀數(shù)外刻度盤隨阿貝自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡相對(duì)于內(nèi)游標(biāo)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)動(dòng)前后的角位移之差即為測(cè)得的偏轉(zhuǎn)角。JJY1 型分光計(jì)主刻度盤上有720 小格，對(duì)應(yīng)360°，每一小格0.5°，即30'。游標(biāo)盤上圓弧形游標(biāo)的讀數(shù)原理類似于游標(biāo)卡尺，游標(biāo)尺有30 小格。讀數(shù)時(shí)，先讀內(nèi)游標(biāo)刻度盤0 刻度移動(dòng)過(guò)的外刻度盤讀數(shù)（當(dāng)內(nèi)游標(biāo)刻度盤0 刻度線左側(cè)的外刻度盤刻度線為半度線時(shí)，多讀30'），低于30'的部分由內(nèi)游標(biāo)盤上與主刻度盤的某條刻線對(duì)齊的刻度線讀出，每格對(duì)應(yīng)1'，兩者之和為游標(biāo)角坐標(biāo)值。游標(biāo)盤在相隔180°的對(duì)稱方向上有兩個(gè)圓弧形游標(biāo)，測(cè)量時(shí)兩個(gè)圓弧形游標(biāo)要同時(shí)讀數(shù)，分別算出兩游標(biāo)前后角坐標(biāo)值差，再取平均值作為測(cè)量值，可以消除JJY1 型分光計(jì)中心軸與讀數(shù)圓盤的圓心不重合所引起的偏心差[3-5]。

2 調(diào)節(jié)方法

JJY1 型分光計(jì)調(diào)節(jié)對(duì)象主要是阿貝自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡、載物臺(tái)、平行光管，調(diào)節(jié)須滿足：1）阿貝準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡分劃板處于物鏡聚焦面，適合接收平行光；2）調(diào)整阿貝準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡光軸、載物平臺(tái)與JJY1 型分光計(jì)中心轉(zhuǎn)軸垂直；3）調(diào)整平行光管狹縫處于其物鏡焦平面上，使其出射平行光，平行光管的光軸與JJY1 型分光計(jì)中心轉(zhuǎn)軸垂直。調(diào)節(jié)步驟為：①調(diào)節(jié)阿貝目鏡調(diào)焦旋鈕，通過(guò)目鏡能看清“豐”字叉絲分劃板；②松開(kāi)目鏡套筒緊鎖螺釘，把雙面鏡緊貼到望遠(yuǎn)鏡物鏡上，前后移動(dòng)目鏡，直到通過(guò)目鏡能看清“豐”字叉絲分劃板上綠十字反射像且無(wú)視差。此時(shí)，“豐”字叉絲分劃板與物鏡焦平面重合而滿足望遠(yuǎn)鏡聚焦無(wú)窮遠(yuǎn)（適合接收平行光）要求；③粗調(diào)望遠(yuǎn)鏡軸線與載物盤水平，將雙面鏡放到載物盤上，讓雙面鏡側(cè)面與載物盤兩水平調(diào)節(jié)螺釘連線垂直，轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡與載物臺(tái)，使雙面鏡側(cè)面法線與望遠(yuǎn)鏡光軸平行，通過(guò)目鏡尋找綠“十”字反射像，用“二分之一”法逐次逼近調(diào)節(jié)綠“十”字反射像與調(diào)整十字叉絲重合，滿足望遠(yuǎn)鏡主軸垂直于中心轉(zhuǎn)軸，望遠(yuǎn)鏡的旋轉(zhuǎn)面和載物臺(tái)的旋轉(zhuǎn)面與讀數(shù)盤和游標(biāo)盤所在的平面完全平行的調(diào)節(jié)要求；④將已聚焦無(wú)窮遠(yuǎn)的望遠(yuǎn)鏡作為標(biāo)準(zhǔn)，打開(kāi)光源照亮狹縫，松開(kāi)狹縫緊鎖螺釘，調(diào)整狹縫位置，直到從阿貝自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡中觀察到，以滿足平行光管發(fā)出平行光的調(diào)控要求；⑤調(diào)節(jié)平行光管與中心轉(zhuǎn)軸相垂直，具體操作：旋轉(zhuǎn)狹縫裝置，讓從阿貝自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡中觀察到狹縫的像水平，調(diào)整平行光管俯仰調(diào)節(jié)螺釘，使阿貝自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡中觀察到的狹縫的像與分劃板測(cè)量十字準(zhǔn)線重合，再轉(zhuǎn)動(dòng)狹縫裝置使狹縫像與分劃板豎準(zhǔn)線重合，鎖緊狹縫緊鎖螺釘[3-5,7,8]。其中，③是JJY1 型分光計(jì)調(diào)節(jié)關(guān)鍵步驟，也是JJY1 型分光計(jì)調(diào)節(jié)的難點(diǎn)，文獻(xiàn)[8-13]皆給出了其調(diào)節(jié)技巧，值得借鑒。

圖3 阿貝自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)與調(diào)整原理圖Fig.3 Structure and adjustment principle diagram of Abbe autocollimator telescope

3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

JJY1 型分光計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)為3 個(gè)基本，即熟悉JJY1 型分光計(jì)的基本結(jié)構(gòu)，熟練掌握儀器的基本調(diào)節(jié)方法和實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)功能。圍繞這個(gè)教學(xué)重點(diǎn)，許多高校在JJY1 型分光計(jì)上開(kāi)設(shè)一系列基礎(chǔ)性、綜合性、設(shè)計(jì)性、研究性不同層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。旨在通過(guò)這些靈活的分級(jí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，指引學(xué)生掌握J(rèn)JY1 型分光計(jì)的結(jié)構(gòu)原理，嫻熟地掌握相關(guān)儀器的基本調(diào)節(jié)方法，了解JJY1 型分光計(jì)在實(shí)驗(yàn)中的基本功能和用途，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力。

JJY1 型分光計(jì)上的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有：JJY1 型分光計(jì)調(diào)整與三棱鏡二面頂角測(cè)量、最小偏向角法測(cè)三棱鏡折射率、衍射光柵；綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有：垂直臨邊入射法測(cè)三棱鏡折射率[14]、掠射法測(cè)三棱鏡折射率[15,16]、超聲光柵測(cè)聲速、夫瑯禾費(fèi)單縫衍射實(shí)驗(yàn)與雙縫干涉現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)、菲涅爾雙棱鏡折射率和契角的測(cè)量[17]、偏振光實(shí)驗(yàn)；研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有：偏振光的研究與布儒斯特定律實(shí)驗(yàn)[18,19]、橢圓偏振法測(cè)量薄膜的厚度和折射率、雙光柵Lau效應(yīng)測(cè)量平板玻璃的折射率、表面等離激元共振法測(cè)液體的折射率，利用JJY1 型分光計(jì)在邁克耳孫干涉法中測(cè)量激光相位延遲[6]。

4 結(jié)束語(yǔ)

可開(kāi)展的分光計(jì)實(shí)驗(yàn)主要包括：基于夫瑯和費(fèi)衍射理論的波動(dòng)光學(xué)實(shí)驗(yàn)和基于費(fèi)馬原理的幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)。這兩種實(shí)驗(yàn)都是綜合性實(shí)驗(yàn)，有助于將不同的物理原理、概念和方法與分光計(jì)的基本功能和結(jié)構(gòu)單元巧妙地融合。阿貝準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡、載物臺(tái)、準(zhǔn)直儀、各種光源及待測(cè)光學(xué)儀器的組合使用，實(shí)現(xiàn)光線偏轉(zhuǎn)角、待測(cè)光學(xué)樣品折射率和光波波長(zhǎng)等多個(gè)物理參量的測(cè)量和物理現(xiàn)象的觀察。靈活設(shè)計(jì)兩類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并分層開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容，不僅讓學(xué)生深刻理解JJY1 型分光計(jì)巧妙設(shè)計(jì)并熟知分光計(jì)的基礎(chǔ)調(diào)控技巧，深刻理解分光計(jì)角位移測(cè)量功能在物理實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用。分光計(jì)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)原理還可以加深學(xué)生對(duì)光學(xué)的基本概念和相關(guān)知識(shí)的理解；幫助學(xué)生熟知光學(xué)實(shí)驗(yàn)的操作特色，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，從而提高學(xué)生新知識(shí)獲取和協(xié)同創(chuàng)新的能力。