分光計實驗綜述報告

唐義甲，吳言寧，韓修林

（阜陽師范大學 物理與電子工程學院，安徽 阜陽 236037）

0 引言

1814 年，德國物理學家夫瑯禾費為了研究太陽暗線，改進了當時的光譜觀察儀器，設計制造出了首臺由阿貝自準直望遠鏡、平行光管和三棱鏡組成的分光計。夫瑯禾費設計制造的首臺分光計同現代相比，雖然有些簡陋，但其絕妙的設計思想、精巧構造原理仍是現代光譜儀、棱鏡攝譜儀設計制造的基本依據。經過不斷改進，分光計在光學技術研究領域大顯身手，經常被用來測量光的波長、棱鏡角、棱鏡材料的折射率和色散率等[1]。

光學中的許多基本量如波長、折射率等都需要直接或間接地用光線的偏轉角來測量。故作為一種精密測定光線偏轉角的儀器，分光計是光學實驗室中必備的常用儀器。同時，分光計的基本光學結構又是許多光學儀器（如棱鏡光譜儀、光柵光譜儀、分光光度計、單色儀等）設計制造的基礎，它在物理實驗中不僅能夠培養學生的基本實驗技能，且能培養學生善于運用所學知識分析并解決實際問題的能力，故JJY1 型分光計系列實驗是理工類院校的必開實驗。

1 JJY1型分光計設計原理

圖1 JJY1型分光計結構部件圖Fig.1 Structural components of JJY1 spectrometer

圖2 JJY1型分光計基本結構示意圖Fig.2 Basic structure of JJY1 spectrometer

各種型號的分光計，其設計原理基本相同，主要部件包括阿貝自準直望遠鏡、平行光管、載物臺（臺上安置分光用的三棱鏡或光柵）、刻度盤和游標盤、底座五大部分，如圖1 所示[2]。

實驗光源照射到平行光管的狹縫上，其光線經平行光管后成為平行光，平行光照射到載物盤上的樣品后，經樣品反射、折射或衍射發生偏轉，轉動望遠鏡跟蹤接收偏轉平行光，望遠鏡主軸繞中心轉軸轉過角度即為平行光偏轉角度。這一偏轉角度的測量和讀取通過匹配的刻度盤和游標盤完成，光偏轉和樣品旋轉則借助準直鏡、阿貝自準直望遠鏡和載物工作臺實現。因此，要求準直器、阿貝自準直望遠鏡和載物工作臺的旋轉表面應與讀數盤和游標盤所在平面嚴格平行，各旋轉表面的轉軸應與儀器的中心轉軸重合。如圖2 所示。

儀器的讀數外刻度盤能與阿貝自準直望遠鏡固連在一起，可隨阿貝自準直望遠鏡同步轉動，讀數內游標盤可與中心轉軸鎖定，這樣當阿貝自準直望遠鏡繞儀器中心轉軸轉動時，內游標盤不動，讀數外刻度盤隨阿貝自準直望遠鏡相對于內游標盤轉動，望遠鏡轉動前后的角位移之差即為測得的偏轉角。JJY1 型分光計主刻度盤上有720 小格，對應360°，每一小格0.5°，即30'。游標盤上圓弧形游標的讀數原理類似于游標卡尺，游標尺有30 小格。讀數時，先讀內游標刻度盤0 刻度移動過的外刻度盤讀數（當內游標刻度盤0 刻度線左側的外刻度盤刻度線為半度線時，多讀30'），低于30'的部分由內游標盤上與主刻度盤的某條刻線對齊的刻度線讀出，每格對應1'，兩者之和為游標角坐標值。游標盤在相隔180°的對稱方向上有兩個圓弧形游標，測量時兩個圓弧形游標要同時讀數，分別算出兩游標前后角坐標值差，再取平均值作為測量值，可以消除JJY1 型分光計中心軸與讀數圓盤的圓心不重合所引起的偏心差[3-5]。

2 調節方法

JJY1 型分光計調節對象主要是阿貝自準直望遠鏡、載物臺、平行光管，調節須滿足：1）阿貝準直望遠鏡分劃板處于物鏡聚焦面，適合接收平行光；2）調整阿貝準直望遠鏡光軸、載物平臺與JJY1 型分光計中心轉軸垂直；3）調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 型分光計中心轉軸垂直。調節步驟為：①調節阿貝目鏡調焦旋鈕，通過目鏡能看清“豐”字叉絲分劃板；②松開目鏡套筒緊鎖螺釘，把雙面鏡緊貼到望遠鏡物鏡上，前后移動目鏡，直到通過目鏡能看清“豐”字叉絲分劃板上綠十字反射像且無視差。此時，“豐”字叉絲分劃板與物鏡焦平面重合而滿足望遠鏡聚焦無窮遠（適合接收平行光）要求；③粗調望遠鏡軸線與載物盤水平，將雙面鏡放到載物盤上，讓雙面鏡側面與載物盤兩水平調節螺釘連線垂直，轉動望遠鏡與載物臺，使雙面鏡側面法線與望遠鏡光軸平行，通過目鏡尋找綠“十”字反射像，用“二分之一”法逐次逼近調節綠“十”字反射像與調整十字叉絲重合，滿足望遠鏡主軸垂直于中心轉軸，望遠鏡的旋轉面和載物臺的旋轉面與讀數盤和游標盤所在的平面完全平行的調節要求；④將已聚焦無窮遠的望遠鏡作為標準，打開光源照亮狹縫，松開狹縫緊鎖螺釘，調整狹縫位置，直到從阿貝自準直望遠鏡中觀察到，以滿足平行光管發出平行光的調控要求；⑤調節平行光管與中心轉軸相垂直，具體操作：旋轉狹縫裝置，讓從阿貝自準直望遠鏡中觀察到狹縫的像水平，調整平行光管俯仰調節螺釘，使阿貝自準直望遠鏡中觀察到的狹縫的像與分劃板測量十字準線重合，再轉動狹縫裝置使狹縫像與分劃板豎準線重合，鎖緊狹縫緊鎖螺釘[3-5,7,8]。其中，③是JJY1 型分光計調節關鍵步驟，也是JJY1 型分光計調節的難點，文獻[8-13]皆給出了其調節技巧，值得借鑒。

圖3 阿貝自準直望遠鏡結構與調整原理圖Fig.3 Structure and adjustment principle diagram of Abbe autocollimator telescope

3 實驗項目

JJY1 型分光計實驗教學的重點為3 個基本，即熟悉JJY1 型分光計的基本結構，熟練掌握儀器的基本調節方法和實現基礎實驗功能。圍繞這個教學重點，許多高校在JJY1 型分光計上開設一系列基礎性、綜合性、設計性、研究性不同層次的實驗項目。旨在通過這些靈活的分級實驗項目，指引學生掌握JJY1 型分光計的結構原理，嫻熟地掌握相關儀器的基本調節方法，了解JJY1 型分光計在實驗中的基本功能和用途，培養學生實踐創新能力。

JJY1 型分光計上的基礎性實驗項目有：JJY1 型分光計調整與三棱鏡二面頂角測量、最小偏向角法測三棱鏡折射率、衍射光柵；綜合性、設計性實驗項目有：垂直臨邊入射法測三棱鏡折射率[14]、掠射法測三棱鏡折射率[15,16]、超聲光柵測聲速、夫瑯禾費單縫衍射實驗與雙縫干涉現象實驗、菲涅爾雙棱鏡折射率和契角的測量[17]、偏振光實驗；研究性實驗項目有：偏振光的研究與布儒斯特定律實驗[18,19]、橢圓偏振法測量薄膜的厚度和折射率、雙光柵Lau效應測量平板玻璃的折射率、表面等離激元共振法測液體的折射率，利用JJY1 型分光計在邁克耳孫干涉法中測量激光相位延遲[6]。

4 結束語

可開展的分光計實驗主要包括：基于夫瑯和費衍射理論的波動光學實驗和基于費馬原理的幾何光學實驗。這兩種實驗都是綜合性實驗，有助于將不同的物理原理、概念和方法與分光計的基本功能和結構單元巧妙地融合。阿貝準直望遠鏡、載物臺、準直儀、各種光源及待測光學儀器的組合使用，實現光線偏轉角、待測光學樣品折射率和光波波長等多個物理參量的測量和物理現象的觀察。靈活設計兩類實驗項目，并分層開展實驗研究內容，不僅讓學生深刻理解JJY1 型分光計巧妙設計并熟知分光計的基礎調控技巧，深刻理解分光計角位移測量功能在物理實驗中的運用。分光計的相關實驗原理還可以加深學生對光學的基本概念和相關知識的理解；幫助學生熟知光學實驗的操作特色，鍛煉學生的動手能力，從而提高學生新知識獲取和協同創新的能力。