分光計(jì)調(diào)節(jié)中的平面鏡與望遠(yuǎn)鏡分步調(diào)節(jié)法

劉文晶，金 武，楊文革，王得印，張水合

(1.蘭州大學(xué) 材料與能源學(xué)院，甘肅 蘭州 734000；2.蘭州大學(xué) 物理學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，甘肅 蘭州 730000)

分光計(jì)的調(diào)節(jié)與使用實(shí)驗(yàn)綜合了多種光學(xué)調(diào)節(jié)方法，例如：視度調(diào)節(jié)、視差法、自準(zhǔn)法等，也是光柵常數(shù)的測(cè)量、分光計(jì)測(cè)折射率等實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的光學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰哂兄匾淖饔谩Ｌ貏e是由于望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)有限，對(duì)粗調(diào)有較高要求，也可以引發(fā)學(xué)生對(duì)光學(xué)實(shí)驗(yàn)中粗調(diào)重要性的認(rèn)識(shí)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，最容易出現(xiàn)問(wèn)題、耗時(shí)最長(zhǎng)的環(huán)節(jié)就是望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié)?，F(xiàn)行的實(shí)驗(yàn)教材中基本采用的都是在粗調(diào)后，雙面平面鏡旋轉(zhuǎn)180°前后都能在望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)中找到反射像的基礎(chǔ)上，采用各半漸進(jìn)法進(jìn)行細(xì)調(diào)，實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡光軸與分光計(jì)主軸的垂直。粗調(diào)理想的狀況下，這種方法具有易理解，易操作的特點(diǎn)，但是在粗調(diào)不理想的情況下會(huì)導(dǎo)致雙面平面鏡一側(cè)調(diào)好，旋轉(zhuǎn)180°后找不到綠色十字像，無(wú)法進(jìn)一步使用漸進(jìn)法細(xì)調(diào)的困難。

為了提高望遠(yuǎn)鏡調(diào)節(jié)的效率，大量承擔(dān)光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一線教師結(jié)合自己對(duì)分光計(jì)調(diào)節(jié)的認(rèn)識(shí)和工作實(shí)踐，提出了多種改進(jìn)策略。這些策略大體可以分為以下3類：1.實(shí)驗(yàn)方法的總結(jié)：例如一看二動(dòng)法[1-3]、極限調(diào)節(jié)法[4,5]、借助平行光管調(diào)節(jié)平面鏡[6]等；2.借助輔助裝置，提高粗調(diào)精度：包括水準(zhǔn)儀[7,8]、激光準(zhǔn)直系統(tǒng)[9,10]等；3.改造分光計(jì)[11]：添加水準(zhǔn)儀，激光輔助裝置等。這些策略都在一定程度上提高了實(shí)驗(yàn)效率，但仍存在一些缺陷。水準(zhǔn)儀多用于調(diào)節(jié)載物小平臺(tái)和望遠(yuǎn)鏡傾斜度，但是當(dāng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)面不水平時(shí)，簡(jiǎn)單機(jī)械地調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡、載物臺(tái)水平并不能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)目標(biāo)[12]。鑒于此，有文獻(xiàn)報(bào)道在底座上安裝水平調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)讀數(shù)盤(pán)水平以解決此問(wèn)題[13]。使用激光準(zhǔn)直系統(tǒng)和改造分光計(jì)無(wú)疑會(huì)增加實(shí)驗(yàn)的投入。一看二動(dòng)法和極限調(diào)節(jié)法都是基于載物小平臺(tái)和望遠(yuǎn)鏡共同調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)，文獻(xiàn)[6]報(bào)道的借助平行光管調(diào)節(jié)平面鏡雖然實(shí)現(xiàn)了平面鏡和望遠(yuǎn)鏡的分步調(diào)節(jié)，但是對(duì)粗調(diào)的要求仍然很高，并沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題。

本文分析了本校光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)組設(shè)計(jì)的基于反射定律，利用被測(cè)元件的光學(xué)面分步調(diào)節(jié)[14]的原理，并給出了具體調(diào)節(jié)過(guò)程，以提供一種調(diào)節(jié)更方便，適用性更廣的分光計(jì)調(diào)節(jié)方法。

1 雙面平面鏡旋轉(zhuǎn)前后反射像分析

現(xiàn)行的分光計(jì)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)普遍以望遠(yuǎn)鏡中觀察到雙面平面鏡旋轉(zhuǎn)180°前后綠十字反射像都能與分劃板上上十字叉絲重合作為望遠(yuǎn)鏡光軸垂直于分光計(jì)主軸的調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)行這一步調(diào)節(jié)的基本要求是雙面平面鏡旋轉(zhuǎn)180°前后都能在望遠(yuǎn)鏡中觀察到綠十字反射像，而粗調(diào)的好壞直接決定了這一要求能否達(dá)成。對(duì)于長(zhǎng)期從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)，經(jīng)驗(yàn)豐富的老師來(lái)說(shuō)，通過(guò)粗調(diào)達(dá)到這一要求并不難，但是對(duì)于第一次接觸分光計(jì)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，要通過(guò)目測(cè)粗調(diào)達(dá)到這一要求還是有一定難度的，要通過(guò)反復(fù)多次粗調(diào)才能實(shí)現(xiàn)這一要求。

通過(guò)分析望遠(yuǎn)鏡光軸、平面鏡反射面、分光計(jì)主軸之間的關(guān)系，可知粗調(diào)之后雙面平面鏡旋轉(zhuǎn)180°前后在望遠(yuǎn)鏡中找到的綠色反射像有3種情況：

(1)都找不到反射像：平面鏡反射面與分光計(jì)主軸有較大夾角，望遠(yuǎn)鏡光軸與平面鏡反射面法線之間有較大夾角；

(2)一面能找到反射像，另一面找不到(如圖1所示)：平面鏡反射面與分光計(jì)主軸有較大夾角，能找到反射像時(shí)，望遠(yuǎn)鏡光軸近似平行于平面鏡反射面法線；雙面平面鏡旋轉(zhuǎn)180°后，望遠(yuǎn)鏡光軸與平面鏡反射面法線之間有較大夾角；

圖1 雙面平面鏡旋轉(zhuǎn)180°前后只有一面能找到反射像時(shí)望遠(yuǎn)鏡與平面鏡位置關(guān)系示意圖

(3)兩面都能找到反射像(如圖2所示)：平面鏡反射面近似平行于分光計(jì)主軸，望遠(yuǎn)鏡光軸近似垂直于分光計(jì)主軸。

圖2 雙面平面鏡旋轉(zhuǎn)180°前后兩面能找到反射像時(shí)望遠(yuǎn)鏡與平面鏡位置關(guān)系示意圖

可以看到，第(3)種情況是理想的粗調(diào)結(jié)果，第(1)種情況下進(jìn)一步目測(cè)粗調(diào)或使用“一看二動(dòng)法”也會(huì)轉(zhuǎn)變成第(2)種情況，但是第(2)種情況轉(zhuǎn)變成理想的第(3)種情況則需要對(duì)平面鏡和望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行多次調(diào)節(jié)。究其原因，主要是因?yàn)檫@個(gè)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中涉及2個(gè)因素，平面鏡反射面的傾斜度(通過(guò)載物小平臺(tái)傾斜度的調(diào)節(jié)完成)和望遠(yuǎn)鏡光軸的傾斜度，而且這2個(gè)因素之間還需要互相匹配。在一次調(diào)節(jié)過(guò)程中想要讓這2個(gè)因素同時(shí)達(dá)到理想狀態(tài)是比較困難的。如果能夠把這2個(gè)因素的調(diào)節(jié)分步完成，每一步中只需要關(guān)注一個(gè)因素，將會(huì)使整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程更易完成。

2 平面鏡與望遠(yuǎn)鏡分步調(diào)節(jié)法

本校光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)組設(shè)計(jì)了一種基于反射定律，利用反射面實(shí)現(xiàn)平面鏡與望遠(yuǎn)鏡分步調(diào)節(jié)的分光計(jì)調(diào)節(jié)方法，通過(guò)實(shí)際教學(xué)過(guò)程驗(yàn)證，該方法可行性強(qiáng)，與傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法相比，調(diào)節(jié)過(guò)程對(duì)粗調(diào)要求較低，所需時(shí)間更短。

圖3 利用反射面實(shí)現(xiàn)平面鏡與望遠(yuǎn)鏡分步調(diào)節(jié)原理示意圖

該方法的基本原理如圖3所示，當(dāng)平行光管與望遠(yuǎn)鏡共軸時(shí)，2光軸與分光計(jì)主軸的夾角相等。將望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)動(dòng)到平行光管同側(cè)附件，平行光管的光軸和望遠(yuǎn)鏡的光軸之間存在一條垂直于分光計(jì)主軸的對(duì)稱軸。把平行光管的狹縫調(diào)到水平，在載物小平臺(tái)上放置一塊平面鏡，其法線方向平行于平行光管的光軸和望遠(yuǎn)鏡的光軸的對(duì)稱軸時(shí)，根據(jù)光的反射原理，在望遠(yuǎn)鏡中可以觀察到平行光管的狹縫像與雙十字叉絲平面中的中央的橫叉絲重合。所以，一邊調(diào)節(jié)平面鏡，一邊在望遠(yuǎn)鏡中觀察狹縫像，到狹縫像與中央橫叉絲重合，此時(shí)，平面鏡的反射面必然平行于分光計(jì)主軸。之后，再調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡傾斜度，到平面鏡反射回來(lái)的綠十字像與上十字叉絲重合，望遠(yuǎn)鏡的傾斜度也調(diào)節(jié)完成。

使用本文給出的平面鏡與望遠(yuǎn)鏡分步調(diào)節(jié)法調(diào)節(jié)分光計(jì)的具體步驟為：

(1)目測(cè)粗調(diào)望遠(yuǎn)鏡傾斜度，平行光管傾斜度，載物小平臺(tái)傾斜度；

(2)平面鏡反射面緊貼望遠(yuǎn)鏡物鏡端，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡至觀察到清晰的反射綠十字像，此時(shí)望遠(yuǎn)鏡聚焦無(wú)窮遠(yuǎn)；

(3)調(diào)節(jié)平行光管和望遠(yuǎn)鏡共軸，平行光管的狹縫調(diào)到水平；

(4)把望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)到平行光管一側(cè)，2光軸間存在一定角度。

(5)參考鏡外輔助法[15]，調(diào)節(jié)載物臺(tái)傾斜度，在望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)中，找到平行光管狹縫像。繼續(xù)調(diào)節(jié)載物臺(tái)傾斜度，使狹縫像與望遠(yuǎn)鏡分劃板中央的橫叉絲重合。此時(shí)，平面鏡反射面與分光計(jì)主軸平行。

(6)參考鏡外輔助法，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡傾斜度，在望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)中觀察到清晰的綠色反射十字像，進(jìn)一步調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡傾斜度，使綠色十字像與叉絲平面上十字叉絲重合。

(7)旋轉(zhuǎn)刻度盤(pán)，帶動(dòng)平面鏡旋轉(zhuǎn)180°，檢查綠色十字像是否與上十字叉絲重合。如果重合，望遠(yuǎn)鏡主軸與分光計(jì)轉(zhuǎn)軸垂直調(diào)節(jié)目標(biāo)達(dá)成。如果不重合，使用各半漸進(jìn)法調(diào)節(jié)，直至平面鏡旋轉(zhuǎn)180°前后，綠色十字像都與叉絲平面上十字叉絲重合。此時(shí)，望遠(yuǎn)鏡傾斜度調(diào)節(jié)結(jié)束。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)行分光計(jì)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)中，望遠(yuǎn)鏡光軸垂直于分光計(jì)主軸調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)需要同時(shí)調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡傾斜度和平面鏡傾斜度，造成粗調(diào)要求高、實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題，分析了基于反射定律，利用被測(cè)元件的光學(xué)面分步調(diào)節(jié)平面鏡傾斜度和望遠(yuǎn)鏡傾斜度的原理，并給出了使用該方法調(diào)節(jié)分光計(jì)的具體步驟。該方法實(shí)現(xiàn)了平面鏡和望遠(yuǎn)鏡傾斜度的分布調(diào)節(jié)，降低了粗調(diào)的要求，減少了調(diào)節(jié)步驟，是一種更方便快捷的分光計(jì)調(diào)節(jié)方法。