解析分光计快速调节的难点与技巧

2014-08-22王爱芳刘芬牛晨阳牟奇苗智渊

枣庄学院学报 2014年2期

王爱芳，刘芬，牛晨阳，牟奇，苗智渊

(山东大学空间科学与物理学院，山东威海 264209)

0 引言

分光计是一种用于精确测量角度的光学仪器，在光学测量中占有非常重要的作用.例如，对三棱镜顶角、棱镜折射率、光波波长和光栅常数的测量等一系列实验中都使用了分光计.要想获得精确的测量结果，必须要严格调整好仪器.但分光计需要调节的部件繁多，较其它光学仪器在调节上更为复杂，往往需要花费很长一段时间才能完成分光计的调整.所以，高效地调节分光计既是相关实验的重点又是难点，如何化解这个难点，降低仪器调节的操作难度，成为提高实验效率的关键所在.

图1 分光计结构示意图

1 分光计调节过程中的难点与改进方法

分光计主要由五部分组成，如图1所示，由下至上依次是：三角底座、读数盘、载物台、望远镜与平行光管.三角底座和读数盘与中心主轴垂直.分光计的调整主要包括对读数盘、载物台、望远镜与平行光管所在的平面进行调整，只有使各部件与中心主轴垂直并相互保持平行，才能保证测量的准确性.下面我们主要从六个方面逐一解析调节过程中可能遇到的困难和解决办法.

1.1 在底座上添加水平调节螺钉并在读数盘上嵌入水平仪

在分光计的调节中(尤其是初次使用)，经常会遇到这样的情况：无论如何调节载物台调平螺钉，都不能把载物台调至水平.主要是由于分光计的底座本身不水平，导致仪器中心转轴倾斜造成的，而这一点在分光计的调节中往往被忽视.底座不水平容易造成实验无法完成，因此应在分光计底座的每个底脚上添加一个水平调节螺钉，并在分光计读数盘上嵌入水平仪.在调节分光计时，首先调节分光计底座上的水平调节螺钉，保证读数盘上的水平仪水平(注意此处确保读数盘360°旋转过程中水平仪始终保持水平)，此时仪器中心转轴便与水平面垂直，读数盘也同时达到水平.

1.2 添加、改进辅助装置，保证粗调快速完成

分光计的调节步骤分为粗调和细调，粗调的目的是使分光计的望远镜光轴大致垂直于仪器的中心转轴，通过望远镜能看到经双面反射镜反射回来的绿十字像[1].然而，粗调仅仅是一个笼统的要求，并没有提供具体的调节方法，而实际操作时绿十字像经常不能出现在望远镜的视场中.为了解决这个难题，我们提出了如下改进方法.

1.2.1 在分光计的载物台上嵌置水平仪

分光计底座的水平调节完成后，再调节分光计载物台上的调平螺钉，使载物台上的水平仪气泡调至中心，此时载物台水平.再把水准仪放在望远镜筒的上面，调整望远镜筒水平，完成粗调.此时在载物台上放置双面反射镜，绿十字像一般都会出现在望远镜的视野中，然后再进一步细调.此方法的优点是实验操作步骤简单，操作性强.

1.2.2 添加一个与望远镜筒共轴的激光辅助调节装置

激光辅助调节装置是依据光的反射定律设计的，只要将与望远镜筒光轴平行的激光投射到双面反射镜上，操作者就能直观地观察到经双面反射镜反射回的反射光点，并根据反射光点的位置进行调节，详见参考文献[2].此方法的优点是在分光计的调节中能得到有效的反馈信息，使实验操作的目的性更强.

1.2.3 扩大望远镜的视场范围

望远镜用广角物镜头，使观测范围变大，观测到反射绿十字像的几率提高.

1.3 在载物台上添加辅助线

在分光计的细调中，经典教材通常要求平面镜与载物台螺钉间的连线平行或垂直放置[3]，但是在载物台上并没有明显的标志供利用，仅仅用肉眼大致判断是很不准确的，这增加了实验调节难度.所以为了细调时能在载物台上准确放置双面反射镜和三棱镜，可以在载物台上添加了ab、bc、ca三条辅助线，如图2(a)所示.在辅助线的帮助下可以方便准确地把平面镜放在适当位置，图2(b)表示双面反射镜与螺钉连线ab平行时的放法，图2(c)表示平面镜与螺钉连线ab垂直时的放法.

1.4 规范三棱镜放置位置

当调平三棱镜时，望远镜光轴已调好，光轴俯仰调节螺钉不能再调动，只能靠载物台下的三颗螺钉来完成三棱镜调平操作，因此三棱镜放置位置就显得至关重要.有了ab、bc、ca三条辅助线，可以比较容易的放置三棱镜，使ab垂直BC，如图3所示.当折射面BC正对望远镜时调节连线与其垂直的两颗螺丝a和b，而当望远镜对准折射面AC时，则只调节另外一颗螺丝c，这样可以做到在调整一个折射面时，尽量减少对另一个面的影响，提高调节的效率.

1.5 采用“分别调节法”进行细调

细调就是把双面反射镜两面反射回来的绿十字像都调整到上十字叉丝的位置.很多教材都介绍了“各半调节法”[4]，这种方法是指在不知道望远镜与载物台的倾斜度各占多少比例的情况下，假定二者各占一半，然后对二者进行反复调节.这种调节的目的性差，耗费时间长.

其实双面反射镜的两个面反射回来的绿十字像不在上十字叉丝交点，是可以准确找到原因所在的.如果载物台面与度盘面是平行的，则双面反射镜的两个面与度盘面都是垂直关系，两个面对于同一入射光线的入射角都是相同的，在望远镜镜筒里观察到的双面镜两个面反射回来的绿十字像应处于分划板的同一高度.如果两个面反射回来的像不处于同一高度，则说明镜面与度盘面是不垂直的.所以双面镜两面反射的绿十字像在分划板上是否处于同一高度，反映着镜面与读数盘面是否垂直；绿十字像是否处在分划板上十字叉丝处，则反映着镜面与望远镜光轴是否达到垂直[5].

图5 分别调节法示意图

根据以上原理可利用“分别调节法”调节分光计.首先，对分光计的分划板进行改进，设计成如图4所示样式.在图4中以分划板中央水平线为零点，以中央竖直线为轴建立一个坐标系，并标出刻度.假设在双面反射镜的镜面与度盘面不垂直，同时望远镜光轴与度盘面也不平行的情况下.先调节双面反射镜的镜面使之与度盘面垂直，如图5所示.设某一面反射的绿十字像位于图5(a)所示位置x1,另一面反射的绿十字像位于图5(b)所示位置x2.调节螺丝使绿十字像位于图5(c)所示位置(x1+x2)/2处，则另一面反射的绿十字像也必然位于此位置，即双面镜的镜面已经与度盘面垂直.接下来再调节望远镜光轴与镜面垂直，即调节望远镜倾斜螺丝，使绿十字像位于分划板上十字叉丝即可.

1.6 游标编号

为了消除偏心差，游标盘上设置了两个游标，因此对应起始位置有两个读数，转动以后也有两个读数.但在实际读数过程中，由于两个游标并没有明显的标识，容易混淆，使计算结果出错.为此，分别给两个游标分别标注上“1”和“2”，可避免因两个游标混淆引起的错误.而且有了明显的标识，只要确保同一游标的两次读数都用相同的下标表示，就可避免混乱.