分光计一种新的快速调节方法

李金花，管 跃，陈玉林，孙婷婷

(南京信息工程大学 物理与光电工程学院，江苏 南京 210044)

分光计是一种准确测量角度的典型光学仪器，可用于折射率、光栅常数、光波波长、色散率等基本光学参量的测定[1]。熟悉分光计的基本构造、掌握对分光计的调节和使用有助于掌握更为复杂的光学仪器，如摄谱仪、单色仪、分光光度计等的操作[2]。

分光计的调节难点在于仪器结构比较复杂，调节螺钉很多，而且分光计的光路也不易直观观察，再加上初学者对这些螺钉的作用不甚熟悉，所以整个分光计的调节非常耗时，不少学生对分光计的实验产生了一种“恐惧”的心理。近些年来，文献中报道了很多有益的有关分光计调节的改进方案，主要分为两大类。

第一类，对分光计仪器进行改进，比如激光辅助调整、广角倍率物镜辅助设计、迈克尔逊干涉仪辅助调节等改进方案[3-7]。优点是很大程度上方便了在望远镜视场中观测到十字像，其中激光辅助法还能比较直观地观测光路的变化，从而极大程度地方便了初学者寻找十字叉丝像的位置。同时，也不得不承认，仪器改进并大规模推广势必增加了一定的教学成本。

第二类，对分光计传统的调节方法进行改进。分光计的调节分粗调和细调两部分，绝大多数文献是对细调部分进行改进[8-12]。该类改进方案的优点是在粗调成功的前提下能迅速完成细调，从而实现望远镜和载物台台面皆严格垂直于分光计中心轴。然而众所周知，初学者的问题不是出在细调部分，而是出现在粗调部分，绝大多数初学者不能在短时间内找到三棱镜两个光学面中十字像的位置。

基于上述分析，一方面，建立一种有效并可以大规模推广的分光计辅助调节装置的确可以很大程度地降低初学者的调节难度，但是同时势必耗费一定的人力、物力和财力；另一方面，成功粗调是完成分光计调节的关键，也是最容易为初学者忽略从而造成调节困难之所在，然而，目前文献中提出的诸多分光计快速调整方案都是聚焦于细调部分。

本文提出一种新的分光计快速调节方法，该方法聚焦于如何迅速、成功地实现对分光计的粗调调节，适用于目前绝大多数高校大学物理实验分光计的教学，能极大地提高分光计实验的教学效率，而不增加教学成本。

1 粗调望远镜光轴水平

将水准仪如图1所示放于望远镜镜筒正上方，调节望远镜的俯仰螺丝，将水准仪中的气泡移至沿镜筒方向(如图1中白色箭头方向)上水准仪的中心位置，此时望远镜光轴大致水平，或者说，这时望远镜光轴与分光计中心轴已经大概垂直。

图1 粗调望远镜光轴水平过程中水准仪摆放

该步调节应注意，水准仪中的气泡会左右(垂直于望远镜光轴方向，或者说垂直于图1中的白色箭头方向)移动，这并不会影响望远镜光轴水平粗调调节，因为我们将水准仪放于圆形的望远镜镜头上，不可避免地会出现一定的左右摆动，故在调节望远镜俯仰螺丝的过程中，只要将气泡调至在沿望远镜光轴方向(图1中白色箭头方向)上水准仪的中心位置即可，不用去理会其左右摆动。

2 粗调调节载物台台面水平

2.1 三棱镜的摆放

将载物台三条刻线对准载物台下的三个调节螺丝，然后把三棱镜的三条棱对准载物台的三条刻线摆放，如图2所示，这样放置是处于以下考虑：若要调节三棱镜AB面的俯仰，只需要调节载物台下的螺丝1即可；同理，若要调节AC面的俯仰，只需要调节载物台下的螺丝2即可[10]。

图2 三棱镜在载物台上的摆放

2.2 粗调载物台台面水平

第一，将水准仪放在三棱镜的中心位置，调节载物台下的三颗螺丝使水准仪中的气泡移动至水准仪的中心位置，然后转动载物台，反复调节这三颗螺丝，使气泡最终保持在中心位置附近，如图3所示。

图3 粗调载物台水平时水准仪气泡位置

第二，转动载物台，使得三棱镜的一个光学面，比如AB面，与望远镜光轴大概垂直，这时微调载物台下三颗调节螺丝，使得水准仪中的气泡移动至水准仪的中心位置，这时微微地左右转动载物台，必然能在望远镜内看到绿色的十字像，如图4所示。

图4 观察到AB面反射的绿色十字

第三，在第二步的基础上转动载物台，调节三棱镜的另一个光学面即AC面与望远镜光轴大概垂直，这时因为台基问题，水准仪中的气泡肯定产生移动，观测该气泡的移动方向，如果气泡向平行光管方向移动，如图5(a)所示，可微微地左右转动载物台，AC面的绿色十字像必然在AB面绿色十字像的下方，如图5(b)所示。

注意：在第三步调节中，如果这时在望远镜的视场范围内观察不到该十字像，则返回AB面，调节载物台靠平行光管处的俯仰螺丝1，使绿色十字像移动到望远镜视场的最上方，然后再转至AC面使其与望远镜光轴大概垂直时，微微地左右转动载物台，则必然能在望远镜视场内观察到AC面的绿色十字像。

(a)AC面与望远镜光轴垂直

(b)观察到AC面反射的绿色十字

第四，如果第三步中，三棱镜AC面与望远镜光轴大概垂直后，水准仪中的气泡向望远镜方向移动，则AC面的绿色十字像必然在AB面绿色十字的上方，若在望远镜视场范围内观测不到，则采用与第三步注意事项中相反的操作，使得在望远镜视场范围内也能观测到AC面的像。

此时，载物台台面已经粗调水平，或者说载物台台面已大概垂直于分光计中心轴，这是本文的主要创新之处。

3 细调望远镜光轴与分光计中心轴垂直

在成功粗调的基础上，可以迅速地完成分光计的细调。

首先，需要明白调节望远镜俯仰螺丝和调节载物台俯仰螺丝对三棱镜两个光学面(如图1中所示三棱镜的AB面和AC面)中观察到的十字叉丝像的移动方向影响。

只调节望远镜俯仰螺丝时(载物台俯仰螺丝不动)，对于AB和AC面来讲，入射光线进行了相同方向、相同角度的改变，故AB和AC面的反射光也会出现相同方向、相同角度的改变。所以，只调节望远镜俯仰螺丝时，AB面和AC面观察到的十字叉丝像在同一方向上发生运动，即AB面和AC面中观察到的十字像要么都向上移动，要么都向下移动。

只调节载物台的俯仰螺丝(望远镜俯仰螺丝不动)，AB面和AC面的俯仰角度发生改变，如果AB面向下倾，则AC面就往上仰。反之，如果AB面往上仰，则AC面向下倾。这样，就导致在AB面和AC面的反射光发生了方向相反的变化。因此，只调节载物台的俯仰螺丝时，AB面和AC面中观察到的十字叉丝像向相反方向移动，即AB面中观察到的十字像向上移动，则AC面中观察的十字像向下移动；AB面中观察的十字像向下移动，则AC面中观察的十字像向上移动。

在成功粗调的基础上，并在了解上述三棱镜两个光学面中十字像的运动规律后，反复调节载物台的俯仰螺钉，使得三棱镜两个面的十字叉丝像处于望远镜视场中同一高度，然后调节望远镜的俯仰螺丝使得两个面的十字叉丝像均与望远镜分划板的上准线重合，该步调节一步到位，无需反复调节。至此，完成望远镜光轴与分光计中心轴垂直的细调调节。该细调方案在文献中已有相关报道[8-9]，本文不再赘述。

4 调节平行光管光轴与分光计中心轴垂直

完成望远镜光轴与分光计中心轴垂直的调节后，保持望远镜上所有的螺丝及载物台下面的三颗螺丝不动，开始调节平行光管光轴与分光计中心轴垂直[2]。

首先，调节平行光管产生平行光。打开光源，平行光管对准光源，望远镜对准平行光管，调节平行光管狭缝与透镜间的距离，直到在望远镜视场中能看到清晰的狭缝像，然后调节狭缝宽度控制螺丝，使得在望远镜中看到的狭缝像约1 mm为佳。

第二，调节平行光管光轴与分光计中心轴垂直。转动狭缝(注意不能前后移动)至水平，调节平行光管俯仰螺丝使狭缝像被分划板的下准线平分，如图6(a)所示；然后，转动狭缝至竖直，调节平行光管俯仰螺丝使狭缝像被分划板的竖准线平分如图6(b)。注意，在两次转动狭缝过程中需保持狭缝像最清晰无视差。

图6 平行光在望远镜中的位置

至此，分光计已全部调节好。

5 分光计的调节细则

本文对分光计中心轴垂直于望远镜光轴的调节细则总结如下[13-18]。

1)调焦。

如图7所示，将三棱镜的任一光学面紧贴望远镜物镜镜头，然后在望远镜目镜中观察十字叉丝像，这时调节望远镜调焦螺丝，直到能看到清晰的十字像。

图7 调焦示意图

2)调整载物台高度。

载物台过低或过高都不易在望远镜上观察到三棱镜两个光学面的十字叉丝像，因此要目测升降载物台高度，使得三棱镜的两个面的反射像都在望远镜的视场范围内。

3)合理摆放三棱镜。

如图2摆放三棱镜后，锁紧游标盘制动螺丝，带动载物台及三棱镜一起转动至三棱镜毛玻璃面垂直于望远镜光轴时，停止转动，然后松开游标盘制动螺丝，将游标盘上一个小游标转动至如图8所示位置，最后再锁紧游标盘。这样做的目的是避免两个光学面与望远镜垂直时可能引起的不能读数的问题。

图8 棱镜与游标相对位置示意图

4)粗调望远镜光轴水平。

如本文第1部分所讲述，借助于水准仪粗调望远镜光轴水平。

5)粗调载物台台面水平。

如本文第2部分的2.2节所讲述，借助于水准仪粗调载物台台面水平，使得在望远镜视场中，可以观察到三棱镜两个光学面的十字叉丝像。

6)细调望远镜光轴与分光计中心轴垂直。

估测图2中AB和AC光学面中十字叉丝像在望远镜视场中的高度差(记为H)，如本文第4部分所讲。

①调节螺丝1使AB面的绿色十字移动到H/2高度差位置，然后转动三棱镜AC面，调节螺丝2的高低使AC面反射的绿色十字也移动到H/2高度差的位置，反复操作，最终使AB面和AC面反射的绿色十字在分划板上同一个高度。此时载物台水平轴已与三棱镜平面垂直。

②最后一步调节望远镜的竖直俯仰螺丝，使得AB和AC光学面中十字叉丝像与望远镜视场中的上准线重合。此时三棱镜平面已与望远镜光轴相互垂直。

7)调节平行光管光轴与分光计中心轴垂直。

平行光管狭缝对准光源，望远镜对准平行光管，前后拉动平行光管狭缝装置与透镜距离，直到能在望远镜中看到清晰的狭缝像，然后如步骤5)所阐述，先后调节狭缝像至图6(a)和图6(b)处。

至此，分光计调节完毕。

6 结束语

该实验方案巧妙地借助水准仪快速、成功地完成分光计的粗调调节，操作简单，也无需添加任何辅助设备，巧妙地运用了水准仪来判断光路的变化，使初学者能更好地理解分光计测三棱镜折射率的光路，随后便能很好地完成实验所需操作。本文根据初学者在调节中碰到的一些常见问题总结了一份分光计的调节细则。依本文提出的分光计调节方案，经过5个班级的实验操作证明，90%以上的学生能在20 min内完成分光计的粗调调节，即在望远镜视场范围内分别观测到三棱镜两个光学面中的十字叉丝像，或者说望远镜光轴基本垂直于分光计的中心轴。该粗调环节是完成分光计调节的关键步骤。粗调完成后，细调调节望远镜光轴与分光计中心轴垂直，及调节平行光管光轴与分光计中心轴垂直这两部分操作相对都比较简单，初学者在短时间内即可完成。