分光计调节步骤的简化与改进

穆雪梅,王学水,苗永平,李芳芳,张珈铭

(山东科技大学 电子信息工程学院，山东 青岛 266590)

分光计是一种精密的测量光线偏转角度的仪器，光波波长、折射率、色散率等物理量都可以用分光计来进行测量[1]。在调节和使用分光计的过程中，不仅能培养学生的动手能力和耐心，还能培养学生解决实际问题的能力，所以分光计的调节和使用实验是理工科学生的重要实验部分。学习分光计的调节和使用，对其他光学仪器的学习和使用具有很好的借鉴作用。

但分光计构造精密、调节复杂、操作训练要求较高[2,3]，传统的分光计调节方法是先利用圆形水平仪和双平面反射镜进行粗调，使载物台平面和望远镜光轴水平，但这个过程结束后，学生往往不能在两面都找到反射像又不知道问题出现在哪里。使得整个实验过程极其漫长，学生也容易产生焦躁厌烦心理。基于此，改进分光计的调节方法是十分有必要的。

考虑到调节过程的冗长，各部分调节步骤之间关联性较强，其中任何一个环节出现问题都会使得粗调结束后望远镜中观察不到反射像。本论文创造性的提出单独利用双平面反射镜调节望远镜聚焦在无穷远处，只利用圆形水平仪粗调载物台平面和望远镜光轴与分光计主轴垂直的方法。具体调节步骤和原理如下。

1 分光计粗调的方法和原理

1.1 望远镜聚焦在无穷远处的调节

在传统的调节方法中，需要将双平面反射镜放置在载物台上[4],调节的前提是完成粗调，在望远镜的目镜中可以观察到双平面反射镜反射回来的像。这个过程的条件太苛刻，而找不到像的原因有很多，除了望远镜本身的聚焦问题之外，也可能是载物台平面不完全水平或望远镜光轴不水平，也可能是平面镜没有与望远镜光轴垂直。如果粗调过程中找不到反射像，对学生来说很难确定具体的原因，也没办法对望远镜的聚焦进行调节。

本论文提出将平面镜直接贴在望远镜的物镜上，可以避免因载物台或望远镜光轴的取向导致的找不到像的问题，直接对目镜和物镜进行聚焦调节，使得望远镜聚焦在无穷远处，接下来则不需要再对望远镜的聚焦进行调节。(望远镜物镜边沿突出，且边沿直径大于平面镜镜面直径小于平面镜外框直径，将平面镜贴在上面不会磨损物镜和平面镜)

1.2 载物台平面的调节

在传统的载物台方向调节过程中，是先将载物台平面和望远镜光轴均调至水平，在望远镜视野中找到反射回来的十字像后转动游标盘180°，应仍能在视野中看到反射回来的十字像[5]。但若是分光计主轴与铅垂线之间夹角过大，或者第一步粗调的过程略有偏差，转动180°后仍能看到反射像的概率非常小，给学生的调节造成了很大困难。

本论文创新性的提出只通过圆形水平仪辅助进行调节，使载物台平面与分光计主轴大致垂直。将圆形水平仪放置在载物台上，在载物台平面与水平面之间偏转角不太大的情况下，可以近似认为水平仪气泡的偏转距离与偏转角成正比。为表述方便，将与分光计主轴垂直的平面记为A面。以下以载物台的其中一个方向为例，阐述粗调载物台的过程。具体步骤和原理如下：

(1) 如图1(a) 所示，将圆形水平仪放置在载物台上，调节载物台下方的a、b、c三个高低调节螺丝，使得气泡在圆形水平仪的中心位置上，此时载物台平面水平。由于分光计主轴不是完全竖直的，故此时水平的载物台平面与A面之间有夹角，记为θ；

图1 调节步骤

(2) 旋转游标盘180°。载物台的旋转以分光计主轴为旋转轴，旋转之后如图1(b) 所示，此时载物台平面与A面之间的夹角仍为θ，而A面与水平面之间的夹角也仍为θ，则载物台平面与水平面之间的夹角为2θ，此时气泡在圆形水平仪中偏转了距离x；

(3) 调节载物台下方的三个高低调节螺丝，将圆形水平仪气泡的偏转距离变为1/2x，如图1(c) 所示。在小角度下近似认为水平仪中气泡的偏转距离与偏转角成正比，则此时载物台平面与水平面之间的夹角为1/2θ(2θ)=θ，而A面与水平面间的夹角也为θ，如图1(c) 所示，所以此时载物台平面与A面平行，也就是垂直于分光计主轴的方向。

实际调节时如图2所示。首先将气泡调节至圆形水平仪中心如图2(a) 所示。旋转游标盘180°后，气泡位置发生偏转，如图2(b) 所示，然后调节载物台高低调节螺丝使得气泡位置由 (x，y)变为 (1/2x，1/2y)，如图2(c) 所示，此时载物台平面与A面平行，也就是与分光计主轴垂直。

图2 气泡位置变化

1.3 望远镜光轴方向的调节

此过程仍借助圆形水平仪，手拿圆形水平仪贴在与望远镜光轴平行的表面上，使气泡沿着望远镜光轴方向的偏移量为1/2x(所选x方向与望远镜光轴在同一方向，1/2x为调节后水平仪在载物台上沿着望远镜光轴的偏转距离)，则望远镜光轴与水平面间的夹角为θ，也就是与分光计主轴垂直。

2 细调分光计主轴与载物台平面及望远镜光轴的垂直

上述调节过程基于对圆形水平仪气泡中心位置的目测和水平仪气泡偏转距离和偏转角度之间的近似正比关系，只能大致使得载物台平面与分光计主轴垂直，望远镜光轴与分光计主轴垂直，但足以保证在放置三棱镜后在目镜中观测到反射像。更为精密的调节仍需借助光学的方法，也就是各半调节法。

调节过程中不需要再利用双平面反射镜辅助进行细调，直接将待测三棱镜放置在载物台上，用各半调节法进行细调，直至三棱镜两个反射面反射回来的十字像都与上方的水平准线对齐，具体过程与传统调节方法一致，此处不再赘述。

3 结 语

简化后的调节过程有如下优点：

(1) 调节望远镜聚焦在无穷远处、调节载物台平面与分光计主轴垂直、调节望远镜光轴与分光计主轴垂直三个步骤是分开的，使得调节的各个步骤之间的关联性变弱，几乎每一步都可以单独调节，便于排查问题；

(2) 粗调结束后放置三棱镜于载物台上，在两个反射面上都找到反射像的概率几乎为100%，极大提高了实验成功率；

(3) 大大简化调节步骤，不需要分别用各半调节法对双平面反射镜和三棱镜进行两次细调，放置三棱镜找到反射像后直接进行细调测量即可。

在实验方法改进之前，大约一半的学生在调试过程中转动游标盘180°后，找不到反射回来的绿色十字像，对学生来说也很难找到具体出错的步骤。也有相当一部分同学在接近下课时间仍不能自己找到反射像，调试过程非常艰难，极大的打击学生的自信心。加上测量三棱镜顶角的时候需要重新调节载物台和望远镜光轴的方向，整个实验过程所需时间一般是>2.5 h。很多同学在下课的时候不能自主完成实验。

在改进调节过程之后，简化了调节过程，各步骤之间的关联性变弱，发现问题后能迅速排查出是哪一部分出现了问题，让学生在实验的过程中能发现问题，并能自主解决问题，即培养了学生的实验技能，也增强了学生解决问题的自信心。用改进过的方法，超过80%的同学可以在1.5 h内完成实验，大大提高了实验效率，为以后的光学实验打下良好的基础。