分光计实验综述报告

唐义甲，吴言宁，韩修林

（阜阳师范大学 物理与电子工程学院，安徽 阜阳 236037）

0 引言

1814 年，德国物理学家夫琅禾费为了研究太阳暗线，改进了当时的光谱观察仪器，设计制造出了首台由阿贝自准直望远镜、平行光管和三棱镜组成的分光计。夫琅禾费设计制造的首台分光计同现代相比，虽然有些简陋，但其绝妙的设计思想、精巧构造原理仍是现代光谱仪、棱镜摄谱仪设计制造的基本依据。经过不断改进，分光计在光学技术研究领域大显身手，经常被用来测量光的波长、棱镜角、棱镜材料的折射率和色散率等[1]。

光学中的许多基本量如波长、折射率等都需要直接或间接地用光线的偏转角来测量。故作为一种精密测定光线偏转角的仪器，分光计是光学实验室中必备的常用仪器。同时，分光计的基本光学结构又是许多光学仪器（如棱镜光谱仪、光栅光谱仪、分光光度计、单色仪等）设计制造的基础，它在物理实验中不仅能够培养学生的基本实验技能，且能培养学生善于运用所学知识分析并解决实际问题的能力，故JJY1 型分光计系列实验是理工类院校的必开实验。

1 JJY1型分光计设计原理

图1 JJY1型分光计结构部件图Fig.1 Structural components of JJY1 spectrometer

图2 JJY1型分光计基本结构示意图Fig.2 Basic structure of JJY1 spectrometer

各种型号的分光计，其设计原理基本相同，主要部件包括阿贝自准直望远镜、平行光管、载物台（台上安置分光用的三棱镜或光栅）、刻度盘和游标盘、底座五大部分，如图1 所示[2]。

实验光源照射到平行光管的狭缝上，其光线经平行光管后成为平行光，平行光照射到载物盘上的样品后，经样品反射、折射或衍射发生偏转，转动望远镜跟踪接收偏转平行光，望远镜主轴绕中心转轴转过角度即为平行光偏转角度。这一偏转角度的测量和读取通过匹配的刻度盘和游标盘完成，光偏转和样品旋转则借助准直镜、阿贝自准直望远镜和载物工作台实现。因此，要求准直器、阿贝自准直望远镜和载物工作台的旋转表面应与读数盘和游标盘所在平面严格平行，各旋转表面的转轴应与仪器的中心转轴重合。如图2 所示。

仪器的读数外刻度盘能与阿贝自准直望远镜固连在一起，可随阿贝自准直望远镜同步转动，读数内游标盘可与中心转轴锁定，这样当阿贝自准直望远镜绕仪器中心转轴转动时，内游标盘不动，读数外刻度盘随阿贝自准直望远镜相对于内游标盘转动，望远镜转动前后的角位移之差即为测得的偏转角。JJY1 型分光计主刻度盘上有720 小格，对应360°，每一小格0.5°，即30'。游标盘上圆弧形游标的读数原理类似于游标卡尺，游标尺有30 小格。读数时，先读内游标刻度盘0 刻度移动过的外刻度盘读数（当内游标刻度盘0 刻度线左侧的外刻度盘刻度线为半度线时，多读30'），低于30'的部分由内游标盘上与主刻度盘的某条刻线对齐的刻度线读出，每格对应1'，两者之和为游标角坐标值。游标盘在相隔180°的对称方向上有两个圆弧形游标，测量时两个圆弧形游标要同时读数，分别算出两游标前后角坐标值差，再取平均值作为测量值，可以消除JJY1 型分光计中心轴与读数圆盘的圆心不重合所引起的偏心差[3-5]。

2 调节方法

JJY1 型分光计调节对象主要是阿贝自准直望远镜、载物台、平行光管，调节须满足：1）阿贝准直望远镜分划板处于物镜聚焦面，适合接收平行光；2）调整阿贝准直望远镜光轴、载物平台与JJY1 型分光计中心转轴垂直；3）调整平行光管狭缝处于其物镜焦平面上，使其出射平行光，平行光管的光轴与JJY1 型分光计中心转轴垂直。调节步骤为：①调节阿贝目镜调焦旋钮，通过目镜能看清“丰”字叉丝分划板；②松开目镜套筒紧锁螺钉，把双面镜紧贴到望远镜物镜上，前后移动目镜，直到通过目镜能看清“丰”字叉丝分划板上绿十字反射像且无视差。此时，“丰”字叉丝分划板与物镜焦平面重合而满足望远镜聚焦无穷远（适合接收平行光）要求；③粗调望远镜轴线与载物盘水平，将双面镜放到载物盘上，让双面镜侧面与载物盘两水平调节螺钉连线垂直，转动望远镜与载物台，使双面镜侧面法线与望远镜光轴平行，通过目镜寻找绿“十”字反射像，用“二分之一”法逐次逼近调节绿“十”字反射像与调整十字叉丝重合，满足望远镜主轴垂直于中心转轴，望远镜的旋转面和载物台的旋转面与读数盘和游标盘所在的平面完全平行的调节要求；④将已聚焦无穷远的望远镜作为标准，打开光源照亮狭缝，松开狭缝紧锁螺钉，调整狭缝位置，直到从阿贝自准直望远镜中观察到，以满足平行光管发出平行光的调控要求；⑤调节平行光管与中心转轴相垂直，具体操作：旋转狭缝装置，让从阿贝自准直望远镜中观察到狭缝的像水平，调整平行光管俯仰调节螺钉，使阿贝自准直望远镜中观察到的狭缝的像与分划板测量十字准线重合，再转动狭缝装置使狭缝像与分划板竖准线重合，锁紧狭缝紧锁螺钉[3-5,7,8]。其中，③是JJY1 型分光计调节关键步骤，也是JJY1 型分光计调节的难点，文献[8-13]皆给出了其调节技巧，值得借鉴。

图3 阿贝自准直望远镜结构与调整原理图Fig.3 Structure and adjustment principle diagram of Abbe autocollimator telescope

3 实验项目

JJY1 型分光计实验教学的重点为3 个基本，即熟悉JJY1 型分光计的基本结构，熟练掌握仪器的基本调节方法和实现基础实验功能。围绕这个教学重点，许多高校在JJY1 型分光计上开设一系列基础性、综合性、设计性、研究性不同层次的实验项目。旨在通过这些灵活的分级实验项目，指引学生掌握JJY1 型分光计的结构原理，娴熟地掌握相关仪器的基本调节方法，了解JJY1 型分光计在实验中的基本功能和用途，培养学生实践创新能力。

JJY1 型分光计上的基础性实验项目有：JJY1 型分光计调整与三棱镜二面顶角测量、最小偏向角法测三棱镜折射率、衍射光栅；综合性、设计性实验项目有：垂直临边入射法测三棱镜折射率[14]、掠射法测三棱镜折射率[15,16]、超声光栅测声速、夫琅禾费单缝衍射实验与双缝干涉现象实验、菲涅尔双棱镜折射率和契角的测量[17]、偏振光实验；研究性实验项目有：偏振光的研究与布儒斯特定律实验[18,19]、椭圆偏振法测量薄膜的厚度和折射率、双光栅Lau效应测量平板玻璃的折射率、表面等离激元共振法测液体的折射率，利用JJY1 型分光计在迈克耳孙干涉法中测量激光相位延迟[6]。

4 结束语

可开展的分光计实验主要包括：基于夫琅和费衍射理论的波动光学实验和基于费马原理的几何光学实验。这两种实验都是综合性实验，有助于将不同的物理原理、概念和方法与分光计的基本功能和结构单元巧妙地融合。阿贝准直望远镜、载物台、准直仪、各种光源及待测光学仪器的组合使用，实现光线偏转角、待测光学样品折射率和光波波长等多个物理参量的测量和物理现象的观察。灵活设计两类实验项目，并分层开展实验研究内容，不仅让学生深刻理解JJY1 型分光计巧妙设计并熟知分光计的基础调控技巧，深刻理解分光计角位移测量功能在物理实验中的运用。分光计的相关实验原理还可以加深学生对光学的基本概念和相关知识的理解；帮助学生熟知光学实验的操作特色，锻炼学生的动手能力，从而提高学生新知识获取和协同创新的能力。