李金花，管 躍，陳玉林，孫婷婷

(南京信息工程大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，江蘇 南京 210044)

分光計是一種準(zhǔn)確測量角度的典型光學(xué)儀器，可用于折射率、光柵常數(shù)、光波波長、色散率等基本光學(xué)參量的測定[1]。熟悉分光計的基本構(gòu)造、掌握對分光計的調(diào)節(jié)和使用有助于掌握更為復(fù)雜的光學(xué)儀器，如攝譜儀、單色儀、分光光度計等的操作[2]。

分光計的調(diào)節(jié)難點在于儀器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)節(jié)螺釘很多，而且分光計的光路也不易直觀觀察，再加上初學(xué)者對這些螺釘?shù)淖饔貌簧跏煜?，所以整個分光計的調(diào)節(jié)非常耗時，不少學(xué)生對分光計的實驗產(chǎn)生了一種“恐懼”的心理。近些年來，文獻中報道了很多有益的有關(guān)分光計調(diào)節(jié)的改進方案，主要分為兩大類。

第一類，對分光計儀器進行改進，比如激光輔助調(diào)整、廣角倍率物鏡輔助設(shè)計、邁克爾遜干涉儀輔助調(diào)節(jié)等改進方案[3-7]。優(yōu)點是很大程度上方便了在望遠鏡視場中觀測到十字像，其中激光輔助法還能比較直觀地觀測光路的變化，從而極大程度地方便了初學(xué)者尋找十字叉絲像的位置。同時，也不得不承認(rèn)，儀器改進并大規(guī)模推廣勢必增加了一定的教學(xué)成本。

第二類，對分光計傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法進行改進。分光計的調(diào)節(jié)分粗調(diào)和細調(diào)兩部分，絕大多數(shù)文獻是對細調(diào)部分進行改進[8-12]。該類改進方案的優(yōu)點是在粗調(diào)成功的前提下能迅速完成細調(diào)，從而實現(xiàn)望遠鏡和載物臺臺面皆嚴(yán)格垂直于分光計中心軸。然而眾所周知，初學(xué)者的問題不是出在細調(diào)部分，而是出現(xiàn)在粗調(diào)部分，絕大多數(shù)初學(xué)者不能在短時間內(nèi)找到三棱鏡兩個光學(xué)面中十字像的位置。

基于上述分析，一方面，建立一種有效并可以大規(guī)模推廣的分光計輔助調(diào)節(jié)裝置的確可以很大程度地降低初學(xué)者的調(diào)節(jié)難度，但是同時勢必耗費一定的人力、物力和財力；另一方面，成功粗調(diào)是完成分光計調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，也是最容易為初學(xué)者忽略從而造成調(diào)節(jié)困難之所在，然而，目前文獻中提出的諸多分光計快速調(diào)整方案都是聚焦于細調(diào)部分。

本文提出一種新的分光計快速調(diào)節(jié)方法，該方法聚焦于如何迅速、成功地實現(xiàn)對分光計的粗調(diào)調(diào)節(jié)，適用于目前絕大多數(shù)高校大學(xué)物理實驗分光計的教學(xué)，能極大地提高分光計實驗的教學(xué)效率，而不增加教學(xué)成本。

1 粗調(diào)望遠鏡光軸水平

將水準(zhǔn)儀如圖1所示放于望遠鏡鏡筒正上方，調(diào)節(jié)望遠鏡的俯仰螺絲，將水準(zhǔn)儀中的氣泡移至沿鏡筒方向(如圖1中白色箭頭方向)上水準(zhǔn)儀的中心位置，此時望遠鏡光軸大致水平，或者說，這時望遠鏡光軸與分光計中心軸已經(jīng)大概垂直。

圖1 粗調(diào)望遠鏡光軸水平過程中水準(zhǔn)儀擺放

該步調(diào)節(jié)應(yīng)注意，水準(zhǔn)儀中的氣泡會左右(垂直于望遠鏡光軸方向，或者說垂直于圖1中的白色箭頭方向)移動，這并不會影響望遠鏡光軸水平粗調(diào)調(diào)節(jié)，因為我們將水準(zhǔn)儀放于圓形的望遠鏡鏡頭上，不可避免地會出現(xiàn)一定的左右擺動，故在調(diào)節(jié)望遠鏡俯仰螺絲的過程中，只要將氣泡調(diào)至在沿望遠鏡光軸方向(圖1中白色箭頭方向)上水準(zhǔn)儀的中心位置即可，不用去理會其左右擺動。

2 粗調(diào)調(diào)節(jié)載物臺臺面水平

2.1 三棱鏡的擺放

將載物臺三條刻線對準(zhǔn)載物臺下的三個調(diào)節(jié)螺絲，然后把三棱鏡的三條棱對準(zhǔn)載物臺的三條刻線擺放，如圖2所示，這樣放置是處于以下考慮：若要調(diào)節(jié)三棱鏡AB面的俯仰，只需要調(diào)節(jié)載物臺下的螺絲1即可；同理，若要調(diào)節(jié)AC面的俯仰，只需要調(diào)節(jié)載物臺下的螺絲2即可[10]。

圖2 三棱鏡在載物臺上的擺放

2.2 粗調(diào)載物臺臺面水平

第一，將水準(zhǔn)儀放在三棱鏡的中心位置，調(diào)節(jié)載物臺下的三顆螺絲使水準(zhǔn)儀中的氣泡移動至水準(zhǔn)儀的中心位置，然后轉(zhuǎn)動載物臺，反復(fù)調(diào)節(jié)這三顆螺絲，使氣泡最終保持在中心位置附近，如圖3所示。

圖3 粗調(diào)載物臺水平時水準(zhǔn)儀氣泡位置

第二，轉(zhuǎn)動載物臺，使得三棱鏡的一個光學(xué)面，比如AB面，與望遠鏡光軸大概垂直，這時微調(diào)載物臺下三顆調(diào)節(jié)螺絲，使得水準(zhǔn)儀中的氣泡移動至水準(zhǔn)儀的中心位置，這時微微地左右轉(zhuǎn)動載物臺，必然能在望遠鏡內(nèi)看到綠色的十字像，如圖4所示。

圖4 觀察到AB面反射的綠色十字

第三，在第二步的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)動載物臺，調(diào)節(jié)三棱鏡的另一個光學(xué)面即AC面與望遠鏡光軸大概垂直，這時因為臺基問題，水準(zhǔn)儀中的氣泡肯定產(chǎn)生移動，觀測該氣泡的移動方向，如果氣泡向平行光管方向移動，如圖5(a)所示，可微微地左右轉(zhuǎn)動載物臺，AC面的綠色十字像必然在AB面綠色十字像的下方，如圖5(b)所示。

注意：在第三步調(diào)節(jié)中，如果這時在望遠鏡的視場范圍內(nèi)觀察不到該十字像，則返回AB面，調(diào)節(jié)載物臺靠平行光管處的俯仰螺絲1，使綠色十字像移動到望遠鏡視場的最上方，然后再轉(zhuǎn)至AC面使其與望遠鏡光軸大概垂直時，微微地左右轉(zhuǎn)動載物臺，則必然能在望遠鏡視場內(nèi)觀察到AC面的綠色十字像。

(a)AC面與望遠鏡光軸垂直

(b)觀察到AC面反射的綠色十字

第四，如果第三步中，三棱鏡AC面與望遠鏡光軸大概垂直后，水準(zhǔn)儀中的氣泡向望遠鏡方向移動，則AC面的綠色十字像必然在AB面綠色十字的上方，若在望遠鏡視場范圍內(nèi)觀測不到，則采用與第三步注意事項中相反的操作，使得在望遠鏡視場范圍內(nèi)也能觀測到AC面的像。

此時，載物臺臺面已經(jīng)粗調(diào)水平，或者說載物臺臺面已大概垂直于分光計中心軸，這是本文的主要創(chuàng)新之處。

3 細調(diào)望遠鏡光軸與分光計中心軸垂直

在成功粗調(diào)的基礎(chǔ)上，可以迅速地完成分光計的細調(diào)。

首先，需要明白調(diào)節(jié)望遠鏡俯仰螺絲和調(diào)節(jié)載物臺俯仰螺絲對三棱鏡兩個光學(xué)面(如圖1中所示三棱鏡的AB面和AC面)中觀察到的十字叉絲像的移動方向影響。

只調(diào)節(jié)望遠鏡俯仰螺絲時(載物臺俯仰螺絲不動)，對于AB和AC面來講，入射光線進行了相同方向、相同角度的改變，故AB和AC面的反射光也會出現(xiàn)相同方向、相同角度的改變。所以，只調(diào)節(jié)望遠鏡俯仰螺絲時，AB面和AC面觀察到的十字叉絲像在同一方向上發(fā)生運動，即AB面和AC面中觀察到的十字像要么都向上移動，要么都向下移動。

只調(diào)節(jié)載物臺的俯仰螺絲(望遠鏡俯仰螺絲不動)，AB面和AC面的俯仰角度發(fā)生改變，如果AB面向下傾，則AC面就往上仰。反之，如果AB面往上仰，則AC面向下傾。這樣，就導(dǎo)致在AB面和AC面的反射光發(fā)生了方向相反的變化。因此，只調(diào)節(jié)載物臺的俯仰螺絲時，AB面和AC面中觀察到的十字叉絲像向相反方向移動，即AB面中觀察到的十字像向上移動，則AC面中觀察的十字像向下移動；AB面中觀察的十字像向下移動，則AC面中觀察的十字像向上移動。

在成功粗調(diào)的基礎(chǔ)上，并在了解上述三棱鏡兩個光學(xué)面中十字像的運動規(guī)律后，反復(fù)調(diào)節(jié)載物臺的俯仰螺釘，使得三棱鏡兩個面的十字叉絲像處于望遠鏡視場中同一高度，然后調(diào)節(jié)望遠鏡的俯仰螺絲使得兩個面的十字叉絲像均與望遠鏡分劃板的上準(zhǔn)線重合，該步調(diào)節(jié)一步到位，無需反復(fù)調(diào)節(jié)。至此，完成望遠鏡光軸與分光計中心軸垂直的細調(diào)調(diào)節(jié)。該細調(diào)方案在文獻中已有相關(guān)報道[8-9]，本文不再贅述。

4 調(diào)節(jié)平行光管光軸與分光計中心軸垂直

完成望遠鏡光軸與分光計中心軸垂直的調(diào)節(jié)后，保持望遠鏡上所有的螺絲及載物臺下面的三顆螺絲不動，開始調(diào)節(jié)平行光管光軸與分光計中心軸垂直[2]。

首先，調(diào)節(jié)平行光管產(chǎn)生平行光。打開光源，平行光管對準(zhǔn)光源，望遠鏡對準(zhǔn)平行光管，調(diào)節(jié)平行光管狹縫與透鏡間的距離，直到在望遠鏡視場中能看到清晰的狹縫像，然后調(diào)節(jié)狹縫寬度控制螺絲，使得在望遠鏡中看到的狹縫像約1 mm為佳。

第二，調(diào)節(jié)平行光管光軸與分光計中心軸垂直。轉(zhuǎn)動狹縫(注意不能前后移動)至水平，調(diào)節(jié)平行光管俯仰螺絲使狹縫像被分劃板的下準(zhǔn)線平分，如圖6(a)所示；然后，轉(zhuǎn)動狹縫至豎直，調(diào)節(jié)平行光管俯仰螺絲使狹縫像被分劃板的豎準(zhǔn)線平分如圖6(b)。注意，在兩次轉(zhuǎn)動狹縫過程中需保持狹縫像最清晰無視差。

圖6 平行光在望遠鏡中的位置

至此，分光計已全部調(diào)節(jié)好。

5 分光計的調(diào)節(jié)細則

本文對分光計中心軸垂直于望遠鏡光軸的調(diào)節(jié)細則總結(jié)如下[13-18]。

1)調(diào)焦。

如圖7所示，將三棱鏡的任一光學(xué)面緊貼望遠鏡物鏡鏡頭，然后在望遠鏡目鏡中觀察十字叉絲像，這時調(diào)節(jié)望遠鏡調(diào)焦螺絲，直到能看到清晰的十字像。

圖7 調(diào)焦示意圖

2)調(diào)整載物臺高度。

載物臺過低或過高都不易在望遠鏡上觀察到三棱鏡兩個光學(xué)面的十字叉絲像，因此要目測升降載物臺高度，使得三棱鏡的兩個面的反射像都在望遠鏡的視場范圍內(nèi)。

3)合理擺放三棱鏡。

如圖2擺放三棱鏡后，鎖緊游標(biāo)盤制動螺絲，帶動載物臺及三棱鏡一起轉(zhuǎn)動至三棱鏡毛玻璃面垂直于望遠鏡光軸時，停止轉(zhuǎn)動，然后松開游標(biāo)盤制動螺絲，將游標(biāo)盤上一個小游標(biāo)轉(zhuǎn)動至如圖8所示位置，最后再鎖緊游標(biāo)盤。這樣做的目的是避免兩個光學(xué)面與望遠鏡垂直時可能引起的不能讀數(shù)的問題。

圖8 棱鏡與游標(biāo)相對位置示意圖

4)粗調(diào)望遠鏡光軸水平。

如本文第1部分所講述，借助于水準(zhǔn)儀粗調(diào)望遠鏡光軸水平。

5)粗調(diào)載物臺臺面水平。

如本文第2部分的2.2節(jié)所講述，借助于水準(zhǔn)儀粗調(diào)載物臺臺面水平，使得在望遠鏡視場中，可以觀察到三棱鏡兩個光學(xué)面的十字叉絲像。

6)細調(diào)望遠鏡光軸與分光計中心軸垂直。

估測圖2中AB和AC光學(xué)面中十字叉絲像在望遠鏡視場中的高度差(記為H)，如本文第4部分所講。

①調(diào)節(jié)螺絲1使AB面的綠色十字移動到H/2高度差位置，然后轉(zhuǎn)動三棱鏡AC面，調(diào)節(jié)螺絲2的高低使AC面反射的綠色十字也移動到H/2高度差的位置，反復(fù)操作，最終使AB面和AC面反射的綠色十字在分劃板上同一個高度。此時載物臺水平軸已與三棱鏡平面垂直。

②最后一步調(diào)節(jié)望遠鏡的豎直俯仰螺絲，使得AB和AC光學(xué)面中十字叉絲像與望遠鏡視場中的上準(zhǔn)線重合。此時三棱鏡平面已與望遠鏡光軸相互垂直。

7)調(diào)節(jié)平行光管光軸與分光計中心軸垂直。

平行光管狹縫對準(zhǔn)光源，望遠鏡對準(zhǔn)平行光管，前后拉動平行光管狹縫裝置與透鏡距離，直到能在望遠鏡中看到清晰的狹縫像，然后如步驟5)所闡述，先后調(diào)節(jié)狹縫像至圖6(a)和圖6(b)處。

至此，分光計調(diào)節(jié)完畢。

6 結(jié)束語

該實驗方案巧妙地借助水準(zhǔn)儀快速、成功地完成分光計的粗調(diào)調(diào)節(jié)，操作簡單，也無需添加任何輔助設(shè)備，巧妙地運用了水準(zhǔn)儀來判斷光路的變化，使初學(xué)者能更好地理解分光計測三棱鏡折射率的光路，隨后便能很好地完成實驗所需操作。本文根據(jù)初學(xué)者在調(diào)節(jié)中碰到的一些常見問題總結(jié)了一份分光計的調(diào)節(jié)細則。依本文提出的分光計調(diào)節(jié)方案，經(jīng)過5個班級的實驗操作證明，90%以上的學(xué)生能在20 min內(nèi)完成分光計的粗調(diào)調(diào)節(jié)，即在望遠鏡視場范圍內(nèi)分別觀測到三棱鏡兩個光學(xué)面中的十字叉絲像，或者說望遠鏡光軸基本垂直于分光計的中心軸。該粗調(diào)環(huán)節(jié)是完成分光計調(diào)節(jié)的關(guān)鍵步驟。粗調(diào)完成后，細調(diào)調(diào)節(jié)望遠鏡光軸與分光計中心軸垂直，及調(diào)節(jié)平行光管光軸與分光計中心軸垂直這兩部分操作相對都比較簡單，初學(xué)者在短時間內(nèi)即可完成。