劉文晶，金 武，楊文革，王得印，張水合

(1.蘭州大學(xué) 材料與能源學(xué)院，甘肅 蘭州 734000；2.蘭州大學(xué) 物理學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心，甘肅 蘭州 730000)

分光計的調(diào)節(jié)與使用實驗綜合了多種光學(xué)調(diào)節(jié)方法，例如：視度調(diào)節(jié)、視差法、自準法等，也是光柵常數(shù)的測量、分光計測折射率等實驗的基礎(chǔ)。對培養(yǎng)學(xué)生的光學(xué)實驗?zāi)芰哂兄匾淖饔?。特別是由于望遠鏡的視場有限，對粗調(diào)有較高要求，也可以引發(fā)學(xué)生對光學(xué)實驗中粗調(diào)重要性的認識。整個實驗中，最容易出現(xiàn)問題、耗時最長的環(huán)節(jié)就是望遠鏡的調(diào)節(jié)?，F(xiàn)行的實驗教材中基本采用的都是在粗調(diào)后，雙面平面鏡旋轉(zhuǎn)180°前后都能在望遠鏡視場中找到反射像的基礎(chǔ)上，采用各半漸進法進行細調(diào)，實現(xiàn)望遠鏡光軸與分光計主軸的垂直。粗調(diào)理想的狀況下，這種方法具有易理解，易操作的特點，但是在粗調(diào)不理想的情況下會導(dǎo)致雙面平面鏡一側(cè)調(diào)好，旋轉(zhuǎn)180°后找不到綠色十字像，無法進一步使用漸進法細調(diào)的困難。

為了提高望遠鏡調(diào)節(jié)的效率，大量承擔(dān)光學(xué)實驗教學(xué)的一線教師結(jié)合自己對分光計調(diào)節(jié)的認識和工作實踐，提出了多種改進策略。這些策略大體可以分為以下3類：1.實驗方法的總結(jié)：例如一看二動法[1-3]、極限調(diào)節(jié)法[4,5]、借助平行光管調(diào)節(jié)平面鏡[6]等；2.借助輔助裝置，提高粗調(diào)精度：包括水準儀[7,8]、激光準直系統(tǒng)[9,10]等；3.改造分光計[11]：添加水準儀，激光輔助裝置等。這些策略都在一定程度上提高了實驗效率，但仍存在一些缺陷。水準儀多用于調(diào)節(jié)載物小平臺和望遠鏡傾斜度，但是當(dāng)實驗臺面不水平時，簡單機械地調(diào)節(jié)望遠鏡、載物臺水平并不能實現(xiàn)調(diào)節(jié)目標[12]。鑒于此，有文獻報道在底座上安裝水平調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)讀數(shù)盤水平以解決此問題[13]。使用激光準直系統(tǒng)和改造分光計無疑會增加實驗的投入。一看二動法和極限調(diào)節(jié)法都是基于載物小平臺和望遠鏡共同調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程耗時長，文獻[6]報道的借助平行光管調(diào)節(jié)平面鏡雖然實現(xiàn)了平面鏡和望遠鏡的分步調(diào)節(jié)，但是對粗調(diào)的要求仍然很高，并沒有從根本上解決問題。

本文分析了本校光學(xué)實驗教學(xué)組設(shè)計的基于反射定律，利用被測元件的光學(xué)面分步調(diào)節(jié)[14]的原理，并給出了具體調(diào)節(jié)過程，以提供一種調(diào)節(jié)更方便，適用性更廣的分光計調(diào)節(jié)方法。

1 雙面平面鏡旋轉(zhuǎn)前后反射像分析

現(xiàn)行的分光計調(diào)節(jié)實驗普遍以望遠鏡中觀察到雙面平面鏡旋轉(zhuǎn)180°前后綠十字反射像都能與分劃板上上十字叉絲重合作為望遠鏡光軸垂直于分光計主軸的調(diào)節(jié)標準。進行這一步調(diào)節(jié)的基本要求是雙面平面鏡旋轉(zhuǎn)180°前后都能在望遠鏡中觀察到綠十字反射像，而粗調(diào)的好壞直接決定了這一要求能否達成。對于長期從事實驗教學(xué)，經(jīng)驗豐富的老師來說，通過粗調(diào)達到這一要求并不難，但是對于第一次接觸分光計的學(xué)生來說，要通過目測粗調(diào)達到這一要求還是有一定難度的，要通過反復(fù)多次粗調(diào)才能實現(xiàn)這一要求。

通過分析望遠鏡光軸、平面鏡反射面、分光計主軸之間的關(guān)系，可知粗調(diào)之后雙面平面鏡旋轉(zhuǎn)180°前后在望遠鏡中找到的綠色反射像有3種情況：

(1)都找不到反射像：平面鏡反射面與分光計主軸有較大夾角，望遠鏡光軸與平面鏡反射面法線之間有較大夾角；

(2)一面能找到反射像，另一面找不到(如圖1所示)：平面鏡反射面與分光計主軸有較大夾角，能找到反射像時，望遠鏡光軸近似平行于平面鏡反射面法線；雙面平面鏡旋轉(zhuǎn)180°后，望遠鏡光軸與平面鏡反射面法線之間有較大夾角；

圖1 雙面平面鏡旋轉(zhuǎn)180°前后只有一面能找到反射像時望遠鏡與平面鏡位置關(guān)系示意圖

(3)兩面都能找到反射像(如圖2所示)：平面鏡反射面近似平行于分光計主軸，望遠鏡光軸近似垂直于分光計主軸。

圖2 雙面平面鏡旋轉(zhuǎn)180°前后兩面能找到反射像時望遠鏡與平面鏡位置關(guān)系示意圖

可以看到，第(3)種情況是理想的粗調(diào)結(jié)果，第(1)種情況下進一步目測粗調(diào)或使用“一看二動法”也會轉(zhuǎn)變成第(2)種情況，但是第(2)種情況轉(zhuǎn)變成理想的第(3)種情況則需要對平面鏡和望遠鏡進行多次調(diào)節(jié)。究其原因，主要是因為這個調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中涉及2個因素，平面鏡反射面的傾斜度(通過載物小平臺傾斜度的調(diào)節(jié)完成)和望遠鏡光軸的傾斜度，而且這2個因素之間還需要互相匹配。在一次調(diào)節(jié)過程中想要讓這2個因素同時達到理想狀態(tài)是比較困難的。如果能夠把這2個因素的調(diào)節(jié)分步完成，每一步中只需要關(guān)注一個因素，將會使整個調(diào)節(jié)過程更易完成。

2 平面鏡與望遠鏡分步調(diào)節(jié)法

本校光學(xué)實驗教學(xué)組設(shè)計了一種基于反射定律，利用反射面實現(xiàn)平面鏡與望遠鏡分步調(diào)節(jié)的分光計調(diào)節(jié)方法，通過實際教學(xué)過程驗證，該方法可行性強，與傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法相比，調(diào)節(jié)過程對粗調(diào)要求較低，所需時間更短。

圖3 利用反射面實現(xiàn)平面鏡與望遠鏡分步調(diào)節(jié)原理示意圖

該方法的基本原理如圖3所示，當(dāng)平行光管與望遠鏡共軸時，2光軸與分光計主軸的夾角相等。將望遠鏡轉(zhuǎn)動到平行光管同側(cè)附件，平行光管的光軸和望遠鏡的光軸之間存在一條垂直于分光計主軸的對稱軸。把平行光管的狹縫調(diào)到水平，在載物小平臺上放置一塊平面鏡，其法線方向平行于平行光管的光軸和望遠鏡的光軸的對稱軸時，根據(jù)光的反射原理，在望遠鏡中可以觀察到平行光管的狹縫像與雙十字叉絲平面中的中央的橫叉絲重合。所以，一邊調(diào)節(jié)平面鏡，一邊在望遠鏡中觀察狹縫像，到狹縫像與中央橫叉絲重合，此時，平面鏡的反射面必然平行于分光計主軸。之后，再調(diào)節(jié)望遠鏡傾斜度，到平面鏡反射回來的綠十字像與上十字叉絲重合，望遠鏡的傾斜度也調(diào)節(jié)完成。

使用本文給出的平面鏡與望遠鏡分步調(diào)節(jié)法調(diào)節(jié)分光計的具體步驟為：

(1)目測粗調(diào)望遠鏡傾斜度，平行光管傾斜度，載物小平臺傾斜度；

(2)平面鏡反射面緊貼望遠鏡物鏡端，調(diào)節(jié)望遠鏡至觀察到清晰的反射綠十字像，此時望遠鏡聚焦無窮遠；

(3)調(diào)節(jié)平行光管和望遠鏡共軸，平行光管的狹縫調(diào)到水平；

(4)把望遠鏡轉(zhuǎn)到平行光管一側(cè)，2光軸間存在一定角度。

(5)參考鏡外輔助法[15]，調(diào)節(jié)載物臺傾斜度，在望遠鏡視場中，找到平行光管狹縫像。繼續(xù)調(diào)節(jié)載物臺傾斜度，使狹縫像與望遠鏡分劃板中央的橫叉絲重合。此時，平面鏡反射面與分光計主軸平行。

(6)參考鏡外輔助法，調(diào)節(jié)望遠鏡傾斜度，在望遠鏡視場中觀察到清晰的綠色反射十字像，進一步調(diào)節(jié)望遠鏡傾斜度，使綠色十字像與叉絲平面上十字叉絲重合。

(7)旋轉(zhuǎn)刻度盤，帶動平面鏡旋轉(zhuǎn)180°，檢查綠色十字像是否與上十字叉絲重合。如果重合，望遠鏡主軸與分光計轉(zhuǎn)軸垂直調(diào)節(jié)目標達成。如果不重合，使用各半漸進法調(diào)節(jié)，直至平面鏡旋轉(zhuǎn)180°前后，綠色十字像都與叉絲平面上十字叉絲重合。此時，望遠鏡傾斜度調(diào)節(jié)結(jié)束。

3 結(jié) 語

針對現(xiàn)行分光計調(diào)節(jié)實驗中，望遠鏡光軸垂直于分光計主軸調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)需要同時調(diào)節(jié)望遠鏡傾斜度和平面鏡傾斜度，造成粗調(diào)要求高、實驗耗時長的問題，分析了基于反射定律，利用被測元件的光學(xué)面分步調(diào)節(jié)平面鏡傾斜度和望遠鏡傾斜度的原理，并給出了使用該方法調(diào)節(jié)分光計的具體步驟。該方法實現(xiàn)了平面鏡和望遠鏡傾斜度的分布調(diào)節(jié)，降低了粗調(diào)的要求，減少了調(diào)節(jié)步驟，是一種更方便快捷的分光計調(diào)節(jié)方法。