在光具座上測(cè)量玻璃折射率

徐 英

(西南石油大學(xué) 理學(xué)院，四川 成都 610500)

·實(shí) 驗(yàn) 教 學(xué)·

在光具座上測(cè)量玻璃折射率

徐 英

(西南石油大學(xué) 理學(xué)院，四川 成都 610500)

針對(duì)CCD價(jià)格昂貴，配套設(shè)備較多的問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量中考慮將CCD測(cè)量系統(tǒng)用一個(gè)20倍讀數(shù)顯微鏡來(lái)代替。該文對(duì)線陣CCD測(cè)量玻璃材料折射率的方法進(jìn)行了改進(jìn)。在光具座上，利用讀數(shù)顯微鏡，通過(guò)測(cè)量光斜入射到平行板玻璃的出射光線與入射光線之間的橫向偏移量，即可測(cè)量出該介質(zhì)的折射率。

橫向偏移量；光具座；讀數(shù)顯微鏡；折射率

折射率是物質(zhì)的重要光學(xué)參數(shù)之一，它不但能夠反應(yīng)物質(zhì)的特性，而且還是鑒別礦物與寶石的重要依據(jù)，使人們了解光學(xué)玻璃、光纖、液體、薄膜等材料的光學(xué)性能，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用。如在選擇眼睛鏡片時(shí)，出于佩戴舒適和美觀需要考慮，應(yīng)選擇折射率較高的鏡片，折射率越高，清晰的視野越大。佩戴高折光指數(shù)的眼鏡看物體更清楚，眼睛更舒服，故最優(yōu)質(zhì)的鏡片為折射率高達(dá)1.9左右的水晶鏡片。折射率在生物、化學(xué)分析領(lǐng)域也是很重要的一個(gè)參數(shù)。

本文針對(duì)線陣CCD測(cè)量玻璃材料折射率方法而改進(jìn)，探討一種比較巧妙而簡(jiǎn)便的測(cè)量平板玻璃折射率的方法。

1 實(shí)驗(yàn)原理

圖1 光線通過(guò)平行玻璃板

如圖1所示，假設(shè)有一條光線穿過(guò)厚度為d、折射率為n、上下表面相互平行的均勻透明介質(zhì)平板，并設(shè)光線在上表面處的入射角和折射角分別為θi和θr，根據(jù)幾何光學(xué)可知[1]，出射光線和入射光線相互平行，出射光線與入射光線之間由于介質(zhì)平板的折射所產(chǎn)生的橫向偏移量為：

Δx=d(sinθi-tgθrcosθi)

(1)

利用折射公式和三角函數(shù)關(guān)系，式(1)變形為：

(2)

由以上變形可以得到折射率n的計(jì)算公式為：

(3)

由式(3)可知，入射角為θi的一條光線，穿過(guò)厚度為d的均勻透明介質(zhì)平板時(shí)，通過(guò)測(cè)量出射光線與入射光線之間的橫向偏移量Δx，即可計(jì)算出該介質(zhì)的折射率n。

2 實(shí)驗(yàn)方法

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

如圖2所示，氦氖激光器、濾光孔屏、平行玻璃板和讀數(shù)顯微鏡全部安裝在三維底座上，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置置于光具座上，且平行玻璃板的三維底座上還有能讀出轉(zhuǎn)過(guò)的相應(yīng)角度的指示(先在白紙上畫出0°、30°、45°和60°方位，然后將此白紙貼在三維底座上)。讀數(shù)顯微鏡上有分劃板并安裝在一個(gè)三維底座上，三維底座上有螺旋測(cè)微計(jì)可以橫向、縱向微調(diào)顯微鏡的位置，并能讀出位置讀數(shù)。調(diào)節(jié)三維底座，在不放置玻璃板之前從目鏡處觀察小光點(diǎn)在讀數(shù)顯微鏡視野中的中心位置，讀出三維底座讀數(shù)；然后在讀數(shù)顯微鏡和濾光孔屏之間加入可調(diào)角度(入射角不等于0°)的平行玻璃板，使光線通過(guò)平行玻璃板，此時(shí)由于光線的折射會(huì)產(chǎn)生橫向的偏移Δx，望遠(yuǎn)鏡中觀察到的位置發(fā)生改變，通過(guò)調(diào)節(jié)三維底座旋鈕使讀數(shù)顯微鏡視野中的光點(diǎn)中心再次回到之前的中心位置，兩次三維底座讀數(shù)的差值即是光線的橫向偏移量Δx。本文中光線入射到玻璃板上的入射角大小分別為30°、45°和60°。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了兩次，分別從兩個(gè)不同的初始讀數(shù)開始測(cè)量，用不同角度的讀數(shù)減去初位置的讀數(shù)就得到了對(duì)應(yīng)角度的橫向偏移量Δx，用游標(biāo)卡尺可以測(cè)出玻璃板的厚度d=7.54 mm，然后可以通過(guò)式(3)計(jì)算出折射率n的值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測(cè)平行玻璃板折射率(讀數(shù)顯微鏡法)

表2和表3分別是利用阿貝折射儀、邁克爾遜[2-7]等厚干涉方法測(cè)量平行玻璃板折射率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 測(cè)平行玻璃板折射率(阿貝折射法)

表3 測(cè)平行玻璃板折射率(邁克爾遜等厚干涉法)

分析讀數(shù)顯微鏡法誤差產(chǎn)生的最主要原因是在白紙上畫出的方位不精確，導(dǎo)致轉(zhuǎn)過(guò)的相應(yīng)角度讀數(shù)不準(zhǔn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，測(cè)量折射率的方法也越來(lái)越多，越來(lái)越先進(jìn)，在利用新的方法和儀器的同時(shí)，如果能夠在測(cè)量的方法和實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)密性上下一些功夫，將會(huì)使測(cè)量更加的精確。一些看似過(guò)時(shí)的經(jīng)典方法[8]，如果經(jīng)過(guò)改進(jìn)優(yōu)化，結(jié)合現(xiàn)在的一些新思路新思想[9]，也能夠變成一種好的測(cè)量方法。

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Measuring Glass Refractive Index on the Optical Bench

XU Ying

(School of Sciences , Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

In view of the fact that the CCD is expensive and the supporting equipment is more, in the laboratory measurement, the CCD measurement system is replaced with a 20-fold reading microscope.In this paper, the linear array CCD method of measuring refractive index of glass material is improved.On the optical bench, using the reading microscope, by measuring the oblique incidence to the parallel plate glass between the exit light and incident light of transverse offset, we can measure the refractive index of the medium.

horizontal offset；optical bench；reading microscope；refractive index

2015-07-20；修改日期:2016-11-25

徐英(1964-)，女，博士，教授，長(zhǎng)期從事理論物理與實(shí)驗(yàn)物理方面的教學(xué)與研究。

O43

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.022