迈克尔孙干涉仪测量液体折射率

2019-04-03张风昀隋宏光凌翠翠

实验技术与管理 2019年3期

张风昀, 隋宏光, 凌翠翠

(中国石油大学(华东) 理学院, 山东青岛 266580)

目前测量折射率的方法分为两类：一类是以反射定律、折射定律为基础的角度测量法[1-4],如掠入射法、全反射法、最小偏向角法等；另一类是光通过介质后,利用透射光或者反射光的物理光学特性测量,如干涉法[5]、布鲁斯特角法[6]、椭偏法[7]等。这些方法多数要求对待侧物体进行复杂的形状加工,或者操作复杂、精度不高。因此,本文在迈克尔孙干涉仪基础上,研制出一种透明液体折射率测量装置。该装置测量简单,测量精度高,适于测量透明液体样品。

1 实验原理

迈克尔孙干涉仪利用光的干涉原理[8-12],将微小长度变化转化为干涉条纹的变化。实验装置如图1所示,在可移动反光镜和分光板之间安装带有螺旋测微装置刻度旋转转盘,转盘上放置比色皿,比色皿装入待测液体,使光路通过比色皿的光学面到达可移动反射镜,在观察屏看到清晰干涉条纹,转动转盘螺旋测微旋钮,带动转盘转动,比色皿随之转动一定角度,这时干涉条纹发生变化,干涉条纹数目变化反映光程差的变化。再把比色皿清空,放置在载物台上,在转动相同角度下测量干涉条纹的变化数目。两种情况下比色皿的2个玻璃壁的夹角始终一致,因此无论比色皿承载什么液体,在转动相同角度后器壁引起的光程差是相同的；只需测量承载待测液体和空比色皿时在转动相同角度的干涉条纹变化数目N1和N2,则ΔN=N1-N2就表示比色皿中所装液体在一定角度下引起的光程差,通过△N可以求出液体折射率。

图1 实验原理示意图

液体折射率n计算公式[13]为

(1)

式中:λ0为激光波长；t为比色皿前壁内表面到后壁内表面的长度,即比色皿内径,t=10 mm;θ为光线入射角度即比色皿转动角度。根据光程的计算公式δ=nd0(d0为为光线经过的路径长度),显然在转过一定角度后d0发生了变化,因而光程改变。准确地算出待测液体对光程差的影响就要把比色皿在“空载”时转动过程中空气引起的光程差消除。可以将比色皿中空气当作一种相对折射率n=1的玻璃,代入式 (1)中,得到转动角度θ后由于光程的改变而引起的条纹移动数目为N′,将其作为一个修正量与ΔN相加得到ΔN′=ΔN+N′。

(2)

修正后液体折射率n的计算公式：

(3)

2 实验步骤及实验数据处理

实验装置如图2所示。光源由单色氦氖激光器发出,波长为632.8 nm。将待测液体置于一个标准比色皿中,比色皿放在一个定制的圆形载物台中央,调节迈克尔孙干涉仪光路,使得光路垂直比色皿照射,在观察屏调出清晰干涉条纹,记下此时刻度盘读数θ0；转动载物台螺旋测微旋钮使比色皿转动一定角度,随着比色皿转动干涉条纹发生变化,记录干涉条纹变化数目N1,读出最终刻度θ1。比色皿清空,采用相同的方法读取空比色皿在转动相同角度θ时干涉条纹变化数目N2。由于实验中干涉条纹数目由肉眼读出,为了使测量过程中减小测量误差,使得测量角度达到小角度近似,约为3°～6°。另外,为使比色皿厚度相同,实验过程中使用同一个比色皿。