徐 英

(西南石油大學 理學院，四川 成都 610500)

·實 驗 教 學·

在光具座上測量玻璃折射率

徐 英

(西南石油大學 理學院，四川 成都 610500)

針對CCD價格昂貴，配套設備較多的問題，在實驗室測量中考慮將CCD測量系統(tǒng)用一個20倍讀數(shù)顯微鏡來代替。該文對線陣CCD測量玻璃材料折射率的方法進行了改進。在光具座上，利用讀數(shù)顯微鏡，通過測量光斜入射到平行板玻璃的出射光線與入射光線之間的橫向偏移量，即可測量出該介質(zhì)的折射率。

橫向偏移量；光具座；讀數(shù)顯微鏡；折射率

折射率是物質(zhì)的重要光學參數(shù)之一，它不但能夠反應物質(zhì)的特性，而且還是鑒別礦物與寶石的重要依據(jù)，使人們了解光學玻璃、光纖、液體、薄膜等材料的光學性能，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用。如在選擇眼睛鏡片時，出于佩戴舒適和美觀需要考慮，應選擇折射率較高的鏡片，折射率越高，清晰的視野越大。佩戴高折光指數(shù)的眼鏡看物體更清楚，眼睛更舒服，故最優(yōu)質(zhì)的鏡片為折射率高達1.9左右的水晶鏡片。折射率在生物、化學分析領域也是很重要的一個參數(shù)。

本文針對線陣CCD測量玻璃材料折射率方法而改進，探討一種比較巧妙而簡便的測量平板玻璃折射率的方法。

1 實驗原理

圖1 光線通過平行玻璃板

如圖1所示，假設有一條光線穿過厚度為d、折射率為n、上下表面相互平行的均勻透明介質(zhì)平板，并設光線在上表面處的入射角和折射角分別為θi和θr，根據(jù)幾何光學可知[1]，出射光線和入射光線相互平行，出射光線與入射光線之間由于介質(zhì)平板的折射所產(chǎn)生的橫向偏移量為：

Δx=d(sinθi-tgθrcosθi)

(1)

利用折射公式和三角函數(shù)關系，式(1)變形為：

(2)

由以上變形可以得到折射率n的計算公式為：

(3)

由式(3)可知，入射角為θi的一條光線，穿過厚度為d的均勻透明介質(zhì)平板時，通過測量出射光線與入射光線之間的橫向偏移量Δx，即可計算出該介質(zhì)的折射率n。

2 實驗方法

圖2 實驗裝置示意圖

如圖2所示，氦氖激光器、濾光孔屏、平行玻璃板和讀數(shù)顯微鏡全部安裝在三維底座上，整個實驗裝置置于光具座上，且平行玻璃板的三維底座上還有能讀出轉過的相應角度的指示(先在白紙上畫出0°、30°、45°和60°方位，然后將此白紙貼在三維底座上)。讀數(shù)顯微鏡上有分劃板并安裝在一個三維底座上，三維底座上有螺旋測微計可以橫向、縱向微調(diào)顯微鏡的位置，并能讀出位置讀數(shù)。調(diào)節(jié)三維底座，在不放置玻璃板之前從目鏡處觀察小光點在讀數(shù)顯微鏡視野中的中心位置，讀出三維底座讀數(shù)；然后在讀數(shù)顯微鏡和濾光孔屏之間加入可調(diào)角度(入射角不等于0°)的平行玻璃板，使光線通過平行玻璃板，此時由于光線的折射會產(chǎn)生橫向的偏移Δx，望遠鏡中觀察到的位置發(fā)生改變，通過調(diào)節(jié)三維底座旋鈕使讀數(shù)顯微鏡視野中的光點中心再次回到之前的中心位置，兩次三維底座讀數(shù)的差值即是光線的橫向偏移量Δx。本文中光線入射到玻璃板上的入射角大小分別為30°、45°和60°。

3 實驗數(shù)據(jù)及結果分析

實驗進行了兩次，分別從兩個不同的初始讀數(shù)開始測量，用不同角度的讀數(shù)減去初位置的讀數(shù)就得到了對應角度的橫向偏移量Δx，用游標卡尺可以測出玻璃板的厚度d=7.54 mm，然后可以通過式(3)計算出折射率n的值，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測平行玻璃板折射率(讀數(shù)顯微鏡法)

表2和表3分別是利用阿貝折射儀、邁克爾遜[2-7]等厚干涉方法測量平行玻璃板折射率的實驗數(shù)據(jù)。

表2 測平行玻璃板折射率(阿貝折射法)

表3 測平行玻璃板折射率(邁克爾遜等厚干涉法)

分析讀數(shù)顯微鏡法誤差產(chǎn)生的最主要原因是在白紙上畫出的方位不精確，導致轉過的相應角度讀數(shù)不準。

4 結束語

隨著科學技術的進步，測量折射率的方法也越來越多，越來越先進，在利用新的方法和儀器的同時，如果能夠在測量的方法和實驗的嚴密性上下一些功夫，將會使測量更加的精確。一些看似過時的經(jīng)典方法[8]，如果經(jīng)過改進優(yōu)化，結合現(xiàn)在的一些新思路新思想[9]，也能夠變成一種好的測量方法。

[1] 花世群.利用線陣CCD測量透明介質(zhì)折射率[J].大學物理，2004，23(6): 51-53.

[2] 張靜.邁克爾遜等傾干涉法晶體折射率測量方法研究[D].濟南：山東大學，2009.

[3] 張雄，朱琨.二次成像法測凸透鏡的折射率[J].云南師范大學學報(自然科學版)，1994，14(3): 43-46.

[4] 萬偉.邁克爾遜干涉儀測透明介質(zhì)厚度及折射率[J].大學物理實驗，2013，26(5): 22-24.

[5] 孫宇航.用邁克爾遜干涉儀測定透明介質(zhì)的折射率[J].西安郵電大學學報, 2009，14(1): 157-158.

[6] 鄧曉穎.邁克耳孫干涉儀測薄透明體 厚度和折射率[J].西安工業(yè)大學學報, 2004，24(4): 383-385.

[7] 喬輝.基于邁克耳孫干涉儀測液體折射率的研究[D].西安: 陜西師范大學，2012.

[8] 尹霖，邱成鋒，柏亞基.用分光計測量三棱鏡玻璃折射率的另一種方法[J].中國高新技術企業(yè), 2010(25): 60-61.

[9] 李志鴻.幾種新型折射率測量方法的原理與應用[J].中國科技信息, 2007(20): 287-288.

Measuring Glass Refractive Index on the Optical Bench

XU Ying

(School of Sciences , Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

In view of the fact that the CCD is expensive and the supporting equipment is more, in the laboratory measurement, the CCD measurement system is replaced with a 20-fold reading microscope.In this paper, the linear array CCD method of measuring refractive index of glass material is improved.On the optical bench, using the reading microscope, by measuring the oblique incidence to the parallel plate glass between the exit light and incident light of transverse offset, we can measure the refractive index of the medium.

horizontal offset；optical bench；reading microscope；refractive index

2015-07-20；修改日期:2016-11-25

徐英(1964-)，女，博士，教授，長期從事理論物理與實驗物理方面的教學與研究。

O43

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.022