王中林

（武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北武漢 430205）

基于布儒斯特定律的分光儀測(cè)量玻璃折射率實(shí)驗(yàn)

王中林

（武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北武漢 430205）

光學(xué)材料折射率測(cè)量的常見方法有阿貝折射儀全反射法，分光儀最小偏向角法等。本文描述了運(yùn)用布儒斯特定律在分光儀上測(cè)量折射率的新實(shí)驗(yàn)方法，并得到相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)。

布儒斯特；分光儀；折射率

圖1 光在介質(zhì)表面的反射與折射

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器

FGY-01型分光儀一個(gè)；低壓鈉燈一套；He-Ne激光器一套；平行平面鏡一塊；擴(kuò)束鏡一個(gè)；已知透振動(dòng)方向的偏振片一片；短光具座及支架若干；光電倍增管測(cè)量系統(tǒng)一套。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程及原理

1.2.1 測(cè)量平行平面鏡對(duì)鈉黃光的折射率

在分光儀調(diào)?；A(chǔ)上，把鈉光燈放置到狹縫前，使狹縫寬度很小，從望遠(yuǎn)鏡中觀察時(shí)基本是一條亮黃線。先讓平行光管、望遠(yuǎn)鏡光軸基本處在同一直線上，并使平面鏡與光軸垂直（如圖2所示），鎖緊螺絲，微調(diào)螺絲使單縫像與分劃板豎線重合，記下此時(shí)的兩讀數(shù)窗角度值θ10、θ20。然后轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡使之與平行光管基本挨在一起，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)使平行平面鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，讓從平行光管中射出的光經(jīng)平面鏡反射后進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡中（如圖3所示），在望遠(yuǎn)鏡物鏡上套上偏振器，讓透振動(dòng)方向與平行光管單縫像方向基本一致。繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡和轉(zhuǎn)臺(tái)使從望遠(yuǎn)鏡中始終能看到單縫的像。當(dāng)轉(zhuǎn)到望遠(yuǎn)鏡與平行光管基本垂直時(shí)，小心旋轉(zhuǎn)偏振片，使偏振片處在使單縫像最暗的位置，保證偏振片的透振動(dòng)方向與入射面平行。繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)和望遠(yuǎn)鏡，可以觀察到單縫像越來越暗。細(xì)心轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)與望遠(yuǎn)鏡，眼睛盯住單縫像，使像始終出現(xiàn)在視場中，直到單縫像幾乎觀測(cè)不到，再轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)時(shí)像又開始變明亮?xí)r停止轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)。再回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)，像會(huì)再次經(jīng)歷變暗到變亮的過程。重復(fù)幾次，找到最暗像處，停止轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)。略微使單縫加寬，像亮度增加，細(xì)心調(diào)節(jié)螺絲使單縫像與分劃板豎線重合。讀出此時(shí)兩讀數(shù)窗中顯示的角度值θ1、θ2。利用計(jì)算公式：

圖2 平行光管、望遠(yuǎn)鏡共軸

圖3 光從平行光管射到平面鏡上反射回望遠(yuǎn)鏡

1.2.2 測(cè)量平行平面鏡對(duì)激光的折射率。

利用激光作光源，如圖4所示在光具座上架好激光器和擴(kuò)束鏡，讓擴(kuò)束鏡遠(yuǎn)離單縫，減小單縫寬度，使進(jìn)入平行光管的光強(qiáng)極弱，避免傷害人的眼睛。重復(fù)步驟1.2.1的方法，最終測(cè)出平面鏡對(duì)激光的折射率。

圖4 發(fā)散激光進(jìn)入平行光管

在前面的基礎(chǔ)上，取下望遠(yuǎn)鏡的目鏡，換接光電倍增管探頭。重復(fù)前面的實(shí)驗(yàn)過程，直接在儀表上讀出光強(qiáng)的大小變化。找到儀表示數(shù)幾乎為零的位置進(jìn)行讀數(shù)計(jì)算，得到平面鏡對(duì)激光的折射率。這樣就完全避免了激光對(duì)人眼可能造成的傷害。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過計(jì)算，平面鏡對(duì)鈉黃光的折射率為（1.530 8＋1.507 1＋1.513 9＋1.497 2＋1.531 6）／5＝1.512 6，對(duì)激光的折射率為（1.531 6＋1.529 5＋1.515 6＋1.521 8＋1.527 1）／5＝1.525 1。

3 誤差分析

在以上測(cè)量過程中，對(duì)鈉光燈，誤差平均值為0.011 88，為測(cè)量平均值的0.79%，測(cè)量值偏離平均值最大為1.26%；對(duì)激光，誤差平均值為0.005 14，為測(cè)量平均值的0.34%，測(cè)量值偏離平均值最大為0.62%；前10次觀察單縫的像采取的是目視法，首先由于眼睛對(duì)象的明暗存在判斷上的偏差，必定會(huì)帶來較大的誤差。其次，在調(diào)節(jié)儀器、讀取數(shù)據(jù)過程中很難做到絕對(duì)準(zhǔn)確，也會(huì)帶來結(jié)果的誤差。第三、把空氣的折射率當(dāng)作1處理必定影響最終結(jié)果的準(zhǔn)確性。第四、偏振片對(duì)光的消光比也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。相對(duì)而言，最后一次利用光電探測(cè)器件進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，相對(duì)準(zhǔn)確率較高，但結(jié)果也會(huì)受到光電探測(cè)器性能的影響。

4 結(jié) 論

運(yùn)用布儒斯特定律測(cè)量物體折射率的實(shí)驗(yàn)，具體操作方法簡單易行，克服了在分光儀上利用幾何光學(xué) “最小偏向角測(cè)折射率”方法需把待測(cè)物做成三棱鏡的缺點(diǎn)［4］，并且測(cè)量的精度也較高。如果配備一臺(tái)對(duì)微弱信號(hào)響應(yīng)率較高的光電探測(cè)器和空氣折射率測(cè)試儀，在合理的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下完全可以實(shí)施對(duì)透明介質(zhì)折射率的高精度測(cè)量。也可以把該測(cè)量方法用在對(duì)激光諧振腔的反射膜片折射率檢測(cè)等生產(chǎn)實(shí)踐過程中。

［1］ 徐家驊.工程光學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993：216-217.

［2］ 洪麗，符運(yùn)良，卞秀芬，曲春英.分光計(jì)測(cè)定三棱鏡折射率方法的改進(jìn)［J］.海南師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，23（1）：41-42.

［3］ 廖艷林，趙艷，諶正艮，趙青生.一種快速調(diào)節(jié)分光計(jì)的方法［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2010，23（1）：28-29，40.

［4］ 孫方曉.用分光儀測(cè)固體折射率方法研究［J］.天津教育學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1997（2）：21-23.

Spectrometer Measuring the Refractive Index of Glass Experiment Based on Brewster＇s Law

WANG Zhong-lin

（Wuhan Vocational College of Software Engineering，Hubei，Wuhan 430205）

The common method of measurement of refractive index of optical materials Abbe total reflection method，spectrometer minimum deviation angle method.The article describes a new experimental method of measuring the refractive index in the spectrometer，the use of Brewster＇s law，and related measurement data.

Brewster Manchester；spectrometer；refractive index

O436.1

A

1007-2934（2012）03-0055-03

2012-03-12