基于布儒斯特定律的分光儀測量玻璃折射率實驗

王中林

（武漢軟件工程職業(yè)學院，湖北武漢 430205）

基于布儒斯特定律的分光儀測量玻璃折射率實驗

王中林

（武漢軟件工程職業(yè)學院，湖北武漢 430205）

光學材料折射率測量的常見方法有阿貝折射儀全反射法，分光儀最小偏向角法等。本文描述了運用布儒斯特定律在分光儀上測量折射率的新實驗方法，并得到相關測量數(shù)據(jù)。

布儒斯特；分光儀；折射率

圖1 光在介質(zhì)表面的反射與折射

1 實驗過程

1.1 實驗設備及儀器

FGY-01型分光儀一個；低壓鈉燈一套；He-Ne激光器一套；平行平面鏡一塊；擴束鏡一個；已知透振動方向的偏振片一片；短光具座及支架若干；光電倍增管測量系統(tǒng)一套。

1.2 實驗過程及原理

1.2.1 測量平行平面鏡對鈉黃光的折射率

在分光儀調(diào)?；A上，把鈉光燈放置到狹縫前，使狹縫寬度很小，從望遠鏡中觀察時基本是一條亮黃線。先讓平行光管、望遠鏡光軸基本處在同一直線上，并使平面鏡與光軸垂直（如圖2所示），鎖緊螺絲，微調(diào)螺絲使單縫像與分劃板豎線重合，記下此時的兩讀數(shù)窗角度值θ10、θ20。然后轉(zhuǎn)動望遠鏡使之與平行光管基本挨在一起，同時轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺使平行平面鏡轉(zhuǎn)動，讓從平行光管中射出的光經(jīng)平面鏡反射后進入望遠鏡中（如圖3所示），在望遠鏡物鏡上套上偏振器，讓透振動方向與平行光管單縫像方向基本一致。繼續(xù)轉(zhuǎn)動望遠鏡和轉(zhuǎn)臺使從望遠鏡中始終能看到單縫的像。當轉(zhuǎn)到望遠鏡與平行光管基本垂直時，小心旋轉(zhuǎn)偏振片，使偏振片處在使單縫像最暗的位置，保證偏振片的透振動方向與入射面平行。繼續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺和望遠鏡，可以觀察到單縫像越來越暗。細心轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺與望遠鏡，眼睛盯住單縫像，使像始終出現(xiàn)在視場中，直到單縫像幾乎觀測不到，再轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺時像又開始變明亮時停止轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺。再回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺，像會再次經(jīng)歷變暗到變亮的過程。重復幾次，找到最暗像處，停止轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺。略微使單縫加寬，像亮度增加，細心調(diào)節(jié)螺絲使單縫像與分劃板豎線重合。讀出此時兩讀數(shù)窗中顯示的角度值θ1、θ2。利用計算公式：

圖2 平行光管、望遠鏡共軸

圖3 光從平行光管射到平面鏡上反射回望遠鏡

1.2.2 測量平行平面鏡對激光的折射率。

利用激光作光源，如圖4所示在光具座上架好激光器和擴束鏡，讓擴束鏡遠離單縫，減小單縫寬度，使進入平行光管的光強極弱，避免傷害人的眼睛。重復步驟1.2.1的方法，最終測出平面鏡對激光的折射率。

圖4 發(fā)散激光進入平行光管

在前面的基礎上，取下望遠鏡的目鏡，換接光電倍增管探頭。重復前面的實驗過程，直接在儀表上讀出光強的大小變化。找到儀表示數(shù)幾乎為零的位置進行讀數(shù)計算，得到平面鏡對激光的折射率。這樣就完全避免了激光對人眼可能造成的傷害。

2 實驗結果

實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 實驗數(shù)據(jù)

通過計算，平面鏡對鈉黃光的折射率為（1.530 8＋1.507 1＋1.513 9＋1.497 2＋1.531 6）／5＝1.512 6，對激光的折射率為（1.531 6＋1.529 5＋1.515 6＋1.521 8＋1.527 1）／5＝1.525 1。

3 誤差分析

在以上測量過程中，對鈉光燈，誤差平均值為0.011 88，為測量平均值的0.79%，測量值偏離平均值最大為1.26%；對激光，誤差平均值為0.005 14，為測量平均值的0.34%，測量值偏離平均值最大為0.62%；前10次觀察單縫的像采取的是目視法，首先由于眼睛對象的明暗存在判斷上的偏差，必定會帶來較大的誤差。其次，在調(diào)節(jié)儀器、讀取數(shù)據(jù)過程中很難做到絕對準確，也會帶來結果的誤差。第三、把空氣的折射率當作1處理必定影響最終結果的準確性。第四、偏振片對光的消光比也會影響測量結果。相對而言，最后一次利用光電探測器件進行信號檢測，相對準確率較高，但結果也會受到光電探測器性能的影響。

4 結 論

運用布儒斯特定律測量物體折射率的實驗，具體操作方法簡單易行，克服了在分光儀上利用幾何光學 “最小偏向角測折射率”方法需把待測物做成三棱鏡的缺點［4］，并且測量的精度也較高。如果配備一臺對微弱信號響應率較高的光電探測器和空氣折射率測試儀，在合理的實驗環(huán)境下完全可以實施對透明介質(zhì)折射率的高精度測量。也可以把該測量方法用在對激光諧振腔的反射膜片折射率檢測等生產(chǎn)實踐過程中。

［1］ 徐家驊.工程光學基礎［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1993：216-217.

［2］ 洪麗，符運良，卞秀芬，曲春英.分光計測定三棱鏡折射率方法的改進［J］.海南師范學院學報：自然科學版，2010，23（1）：41-42.

［3］ 廖艷林，趙艷，諶正艮，趙青生.一種快速調(diào)節(jié)分光計的方法［J］.大學物理實驗，2010，23（1）：28-29，40.

［4］ 孫方曉.用分光儀測固體折射率方法研究［J］.天津教育學院學報：自然科學版，1997（2）：21-23.

Spectrometer Measuring the Refractive Index of Glass Experiment Based on Brewster＇s Law

WANG Zhong-lin

（Wuhan Vocational College of Software Engineering，Hubei，Wuhan 430205）

The common method of measurement of refractive index of optical materials Abbe total reflection method，spectrometer minimum deviation angle method.The article describes a new experimental method of measuring the refractive index in the spectrometer，the use of Brewster＇s law，and related measurement data.

Brewster Manchester；spectrometer；refractive index

O436.1

A

1007-2934（2012）03-0055-03

2012-03-12