分光計(jì)一種新的快速調(diào)節(jié)方法

李金花，管 躍，陳玉林，孫婷婷

(南京信息工程大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，江蘇 南京 210044)

分光計(jì)是一種準(zhǔn)確測(cè)量角度的典型光學(xué)儀器，可用于折射率、光柵常數(shù)、光波波長(zhǎng)、色散率等基本光學(xué)參量的測(cè)定[1]。熟悉分光計(jì)的基本構(gòu)造、掌握對(duì)分光計(jì)的調(diào)節(jié)和使用有助于掌握更為復(fù)雜的光學(xué)儀器，如攝譜儀、單色儀、分光光度計(jì)等的操作[2]。

分光計(jì)的調(diào)節(jié)難點(diǎn)在于儀器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)節(jié)螺釘很多，而且分光計(jì)的光路也不易直觀(guān)觀(guān)察，再加上初學(xué)者對(duì)這些螺釘?shù)淖饔貌簧跏煜?，所以整個(gè)分光計(jì)的調(diào)節(jié)非常耗時(shí)，不少學(xué)生對(duì)分光計(jì)的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了一種“恐懼”的心理。近些年來(lái)，文獻(xiàn)中報(bào)道了很多有益的有關(guān)分光計(jì)調(diào)節(jié)的改進(jìn)方案，主要分為兩大類(lèi)。

第一類(lèi)，對(duì)分光計(jì)儀器進(jìn)行改進(jìn)，比如激光輔助調(diào)整、廣角倍率物鏡輔助設(shè)計(jì)、邁克爾遜干涉儀輔助調(diào)節(jié)等改進(jìn)方案[3-7]。優(yōu)點(diǎn)是很大程度上方便了在望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)中觀(guān)測(cè)到十字像，其中激光輔助法還能比較直觀(guān)地觀(guān)測(cè)光路的變化，從而極大程度地方便了初學(xué)者尋找十字叉絲像的位置。同時(shí)，也不得不承認(rèn)，儀器改進(jìn)并大規(guī)模推廣勢(shì)必增加了一定的教學(xué)成本。

第二類(lèi)，對(duì)分光計(jì)傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法進(jìn)行改進(jìn)。分光計(jì)的調(diào)節(jié)分粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩部分，絕大多數(shù)文獻(xiàn)是對(duì)細(xì)調(diào)部分進(jìn)行改進(jìn)[8-12]。該類(lèi)改進(jìn)方案的優(yōu)點(diǎn)是在粗調(diào)成功的前提下能迅速完成細(xì)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡和載物臺(tái)臺(tái)面皆嚴(yán)格垂直于分光計(jì)中心軸。然而眾所周知，初學(xué)者的問(wèn)題不是出在細(xì)調(diào)部分，而是出現(xiàn)在粗調(diào)部分，絕大多數(shù)初學(xué)者不能在短時(shí)間內(nèi)找到三棱鏡兩個(gè)光學(xué)面中十字像的位置。

基于上述分析，一方面，建立一種有效并可以大規(guī)模推廣的分光計(jì)輔助調(diào)節(jié)裝置的確可以很大程度地降低初學(xué)者的調(diào)節(jié)難度，但是同時(shí)勢(shì)必耗費(fèi)一定的人力、物力和財(cái)力；另一方面，成功粗調(diào)是完成分光計(jì)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，也是最容易為初學(xué)者忽略從而造成調(diào)節(jié)困難之所在，然而，目前文獻(xiàn)中提出的諸多分光計(jì)快速調(diào)整方案都是聚焦于細(xì)調(diào)部分。

本文提出一種新的分光計(jì)快速調(diào)節(jié)方法，該方法聚焦于如何迅速、成功地實(shí)現(xiàn)對(duì)分光計(jì)的粗調(diào)調(diào)節(jié)，適用于目前絕大多數(shù)高校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)分光計(jì)的教學(xué)，能極大地提高分光計(jì)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效率，而不增加教學(xué)成本。

1 粗調(diào)望遠(yuǎn)鏡光軸水平

將水準(zhǔn)儀如圖1所示放于望遠(yuǎn)鏡鏡筒正上方，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的俯仰螺絲，將水準(zhǔn)儀中的氣泡移至沿鏡筒方向(如圖1中白色箭頭方向)上水準(zhǔn)儀的中心位置，此時(shí)望遠(yuǎn)鏡光軸大致水平，或者說(shuō)，這時(shí)望遠(yuǎn)鏡光軸與分光計(jì)中心軸已經(jīng)大概垂直。

圖1 粗調(diào)望遠(yuǎn)鏡光軸水平過(guò)程中水準(zhǔn)儀擺放

該步調(diào)節(jié)應(yīng)注意，水準(zhǔn)儀中的氣泡會(huì)左右(垂直于望遠(yuǎn)鏡光軸方向，或者說(shuō)垂直于圖1中的白色箭頭方向)移動(dòng)，這并不會(huì)影響望遠(yuǎn)鏡光軸水平粗調(diào)調(diào)節(jié)，因?yàn)槲覀儗⑺疁?zhǔn)儀放于圓形的望遠(yuǎn)鏡鏡頭上，不可避免地會(huì)出現(xiàn)一定的左右擺動(dòng)，故在調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡俯仰螺絲的過(guò)程中，只要將氣泡調(diào)至在沿望遠(yuǎn)鏡光軸方向(圖1中白色箭頭方向)上水準(zhǔn)儀的中心位置即可，不用去理會(huì)其左右擺動(dòng)。

2 粗調(diào)調(diào)節(jié)載物臺(tái)臺(tái)面水平

2.1 三棱鏡的擺放

將載物臺(tái)三條刻線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)載物臺(tái)下的三個(gè)調(diào)節(jié)螺絲，然后把三棱鏡的三條棱對(duì)準(zhǔn)載物臺(tái)的三條刻線(xiàn)擺放，如圖2所示，這樣放置是處于以下考慮：若要調(diào)節(jié)三棱鏡AB面的俯仰，只需要調(diào)節(jié)載物臺(tái)下的螺絲1即可；同理，若要調(diào)節(jié)AC面的俯仰，只需要調(diào)節(jié)載物臺(tái)下的螺絲2即可[10]。

圖2 三棱鏡在載物臺(tái)上的擺放

2.2 粗調(diào)載物臺(tái)臺(tái)面水平

第一，將水準(zhǔn)儀放在三棱鏡的中心位置，調(diào)節(jié)載物臺(tái)下的三顆螺絲使水準(zhǔn)儀中的氣泡移動(dòng)至水準(zhǔn)儀的中心位置，然后轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，反復(fù)調(diào)節(jié)這三顆螺絲，使氣泡最終保持在中心位置附近，如圖3所示。

圖3 粗調(diào)載物臺(tái)水平時(shí)水準(zhǔn)儀氣泡位置

第二，轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，使得三棱鏡的一個(gè)光學(xué)面，比如AB面，與望遠(yuǎn)鏡光軸大概垂直，這時(shí)微調(diào)載物臺(tái)下三顆調(diào)節(jié)螺絲，使得水準(zhǔn)儀中的氣泡移動(dòng)至水準(zhǔn)儀的中心位置，這時(shí)微微地左右轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，必然能在望遠(yuǎn)鏡內(nèi)看到綠色的十字像，如圖4所示。

圖4 觀(guān)察到AB面反射的綠色十字

第三，在第二步的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，調(diào)節(jié)三棱鏡的另一個(gè)光學(xué)面即AC面與望遠(yuǎn)鏡光軸大概垂直，這時(shí)因?yàn)榕_(tái)基問(wèn)題，水準(zhǔn)儀中的氣泡肯定產(chǎn)生移動(dòng)，觀(guān)測(cè)該氣泡的移動(dòng)方向，如果氣泡向平行光管方向移動(dòng)，如圖5(a)所示，可微微地左右轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，AC面的綠色十字像必然在AB面綠色十字像的下方，如圖5(b)所示。

注意：在第三步調(diào)節(jié)中，如果這時(shí)在望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)范圍內(nèi)觀(guān)察不到該十字像，則返回AB面，調(diào)節(jié)載物臺(tái)靠平行光管處的俯仰螺絲1，使綠色十字像移動(dòng)到望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)的最上方，然后再轉(zhuǎn)至AC面使其與望遠(yuǎn)鏡光軸大概垂直時(shí)，微微地左右轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，則必然能在望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)內(nèi)觀(guān)察到AC面的綠色十字像。

(a)AC面與望遠(yuǎn)鏡光軸垂直

(b)觀(guān)察到AC面反射的綠色十字

第四，如果第三步中，三棱鏡AC面與望遠(yuǎn)鏡光軸大概垂直后，水準(zhǔn)儀中的氣泡向望遠(yuǎn)鏡方向移動(dòng)，則AC面的綠色十字像必然在AB面綠色十字的上方，若在望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)范圍內(nèi)觀(guān)測(cè)不到，則采用與第三步注意事項(xiàng)中相反的操作，使得在望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)范圍內(nèi)也能觀(guān)測(cè)到AC面的像。

此時(shí)，載物臺(tái)臺(tái)面已經(jīng)粗調(diào)水平，或者說(shuō)載物臺(tái)臺(tái)面已大概垂直于分光計(jì)中心軸，這是本文的主要?jiǎng)?chuàng)新之處。

3 細(xì)調(diào)望遠(yuǎn)鏡光軸與分光計(jì)中心軸垂直

在成功粗調(diào)的基礎(chǔ)上，可以迅速地完成分光計(jì)的細(xì)調(diào)。

首先，需要明白調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡俯仰螺絲和調(diào)節(jié)載物臺(tái)俯仰螺絲對(duì)三棱鏡兩個(gè)光學(xué)面(如圖1中所示三棱鏡的AB面和AC面)中觀(guān)察到的十字叉絲像的移動(dòng)方向影響。

只調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡俯仰螺絲時(shí)(載物臺(tái)俯仰螺絲不動(dòng))，對(duì)于AB和AC面來(lái)講，入射光線(xiàn)進(jìn)行了相同方向、相同角度的改變，故AB和AC面的反射光也會(huì)出現(xiàn)相同方向、相同角度的改變。所以，只調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡俯仰螺絲時(shí)，AB面和AC面觀(guān)察到的十字叉絲像在同一方向上發(fā)生運(yùn)動(dòng)，即AB面和AC面中觀(guān)察到的十字像要么都向上移動(dòng)，要么都向下移動(dòng)。

只調(diào)節(jié)載物臺(tái)的俯仰螺絲(望遠(yuǎn)鏡俯仰螺絲不動(dòng))，AB面和AC面的俯仰角度發(fā)生改變，如果AB面向下傾，則AC面就往上仰。反之，如果AB面往上仰，則AC面向下傾。這樣，就導(dǎo)致在AB面和AC面的反射光發(fā)生了方向相反的變化。因此，只調(diào)節(jié)載物臺(tái)的俯仰螺絲時(shí)，AB面和AC面中觀(guān)察到的十字叉絲像向相反方向移動(dòng)，即AB面中觀(guān)察到的十字像向上移動(dòng)，則AC面中觀(guān)察的十字像向下移動(dòng)；AB面中觀(guān)察的十字像向下移動(dòng)，則AC面中觀(guān)察的十字像向上移動(dòng)。

在成功粗調(diào)的基礎(chǔ)上，并在了解上述三棱鏡兩個(gè)光學(xué)面中十字像的運(yùn)動(dòng)規(guī)律后，反復(fù)調(diào)節(jié)載物臺(tái)的俯仰螺釘，使得三棱鏡兩個(gè)面的十字叉絲像處于望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)中同一高度，然后調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的俯仰螺絲使得兩個(gè)面的十字叉絲像均與望遠(yuǎn)鏡分劃板的上準(zhǔn)線(xiàn)重合，該步調(diào)節(jié)一步到位，無(wú)需反復(fù)調(diào)節(jié)。至此，完成望遠(yuǎn)鏡光軸與分光計(jì)中心軸垂直的細(xì)調(diào)調(diào)節(jié)。該細(xì)調(diào)方案在文獻(xiàn)中已有相關(guān)報(bào)道[8-9]，本文不再贅述。

4 調(diào)節(jié)平行光管光軸與分光計(jì)中心軸垂直

完成望遠(yuǎn)鏡光軸與分光計(jì)中心軸垂直的調(diào)節(jié)后，保持望遠(yuǎn)鏡上所有的螺絲及載物臺(tái)下面的三顆螺絲不動(dòng)，開(kāi)始調(diào)節(jié)平行光管光軸與分光計(jì)中心軸垂直[2]。

首先，調(diào)節(jié)平行光管產(chǎn)生平行光。打開(kāi)光源，平行光管對(duì)準(zhǔn)光源，望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)平行光管，調(diào)節(jié)平行光管狹縫與透鏡間的距離，直到在望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)中能看到清晰的狹縫像，然后調(diào)節(jié)狹縫寬度控制螺絲，使得在望遠(yuǎn)鏡中看到的狹縫像約1 mm為佳。

第二，調(diào)節(jié)平行光管光軸與分光計(jì)中心軸垂直。轉(zhuǎn)動(dòng)狹縫(注意不能前后移動(dòng))至水平，調(diào)節(jié)平行光管俯仰螺絲使狹縫像被分劃板的下準(zhǔn)線(xiàn)平分，如圖6(a)所示；然后，轉(zhuǎn)動(dòng)狹縫至豎直，調(diào)節(jié)平行光管俯仰螺絲使狹縫像被分劃板的豎準(zhǔn)線(xiàn)平分如圖6(b)。注意，在兩次轉(zhuǎn)動(dòng)狹縫過(guò)程中需保持狹縫像最清晰無(wú)視差。

圖6 平行光在望遠(yuǎn)鏡中的位置

至此，分光計(jì)已全部調(diào)節(jié)好。

5 分光計(jì)的調(diào)節(jié)細(xì)則

本文對(duì)分光計(jì)中心軸垂直于望遠(yuǎn)鏡光軸的調(diào)節(jié)細(xì)則總結(jié)如下[13-18]。

1)調(diào)焦。

如圖7所示，將三棱鏡的任一光學(xué)面緊貼望遠(yuǎn)鏡物鏡鏡頭，然后在望遠(yuǎn)鏡目鏡中觀(guān)察十字叉絲像，這時(shí)調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦螺絲，直到能看到清晰的十字像。

圖7 調(diào)焦示意圖

2)調(diào)整載物臺(tái)高度。

載物臺(tái)過(guò)低或過(guò)高都不易在望遠(yuǎn)鏡上觀(guān)察到三棱鏡兩個(gè)光學(xué)面的十字叉絲像，因此要目測(cè)升降載物臺(tái)高度，使得三棱鏡的兩個(gè)面的反射像都在望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)范圍內(nèi)。

3)合理擺放三棱鏡。

如圖2擺放三棱鏡后，鎖緊游標(biāo)盤(pán)制動(dòng)螺絲，帶動(dòng)載物臺(tái)及三棱鏡一起轉(zhuǎn)動(dòng)至三棱鏡毛玻璃面垂直于望遠(yuǎn)鏡光軸時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)，然后松開(kāi)游標(biāo)盤(pán)制動(dòng)螺絲，將游標(biāo)盤(pán)上一個(gè)小游標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)至如圖8所示位置，最后再鎖緊游標(biāo)盤(pán)。這樣做的目的是避免兩個(gè)光學(xué)面與望遠(yuǎn)鏡垂直時(shí)可能引起的不能讀數(shù)的問(wèn)題。

圖8 棱鏡與游標(biāo)相對(duì)位置示意圖

4)粗調(diào)望遠(yuǎn)鏡光軸水平。

如本文第1部分所講述，借助于水準(zhǔn)儀粗調(diào)望遠(yuǎn)鏡光軸水平。

5)粗調(diào)載物臺(tái)臺(tái)面水平。

如本文第2部分的2.2節(jié)所講述，借助于水準(zhǔn)儀粗調(diào)載物臺(tái)臺(tái)面水平，使得在望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)中，可以觀(guān)察到三棱鏡兩個(gè)光學(xué)面的十字叉絲像。

6)細(xì)調(diào)望遠(yuǎn)鏡光軸與分光計(jì)中心軸垂直。

估測(cè)圖2中AB和AC光學(xué)面中十字叉絲像在望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)中的高度差(記為H)，如本文第4部分所講。

①調(diào)節(jié)螺絲1使AB面的綠色十字移動(dòng)到H/2高度差位置，然后轉(zhuǎn)動(dòng)三棱鏡AC面，調(diào)節(jié)螺絲2的高低使AC面反射的綠色十字也移動(dòng)到H/2高度差的位置，反復(fù)操作，最終使AB面和AC面反射的綠色十字在分劃板上同一個(gè)高度。此時(shí)載物臺(tái)水平軸已與三棱鏡平面垂直。

②最后一步調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的豎直俯仰螺絲，使得AB和AC光學(xué)面中十字叉絲像與望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)中的上準(zhǔn)線(xiàn)重合。此時(shí)三棱鏡平面已與望遠(yuǎn)鏡光軸相互垂直。

7)調(diào)節(jié)平行光管光軸與分光計(jì)中心軸垂直。

平行光管狹縫對(duì)準(zhǔn)光源，望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)平行光管，前后拉動(dòng)平行光管狹縫裝置與透鏡距離，直到能在望遠(yuǎn)鏡中看到清晰的狹縫像，然后如步驟5)所闡述，先后調(diào)節(jié)狹縫像至圖6(a)和圖6(b)處。

至此，分光計(jì)調(diào)節(jié)完畢。

6 結(jié)束語(yǔ)

該實(shí)驗(yàn)方案巧妙地借助水準(zhǔn)儀快速、成功地完成分光計(jì)的粗調(diào)調(diào)節(jié)，操作簡(jiǎn)單，也無(wú)需添加任何輔助設(shè)備，巧妙地運(yùn)用了水準(zhǔn)儀來(lái)判斷光路的變化，使初學(xué)者能更好地理解分光計(jì)測(cè)三棱鏡折射率的光路，隨后便能很好地完成實(shí)驗(yàn)所需操作。本文根據(jù)初學(xué)者在調(diào)節(jié)中碰到的一些常見(jiàn)問(wèn)題總結(jié)了一份分光計(jì)的調(diào)節(jié)細(xì)則。依本文提出的分光計(jì)調(diào)節(jié)方案，經(jīng)過(guò)5個(gè)班級(jí)的實(shí)驗(yàn)操作證明，90%以上的學(xué)生能在20 min內(nèi)完成分光計(jì)的粗調(diào)調(diào)節(jié)，即在望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)范圍內(nèi)分別觀(guān)測(cè)到三棱鏡兩個(gè)光學(xué)面中的十字叉絲像，或者說(shuō)望遠(yuǎn)鏡光軸基本垂直于分光計(jì)的中心軸。該粗調(diào)環(huán)節(jié)是完成分光計(jì)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵步驟。粗調(diào)完成后，細(xì)調(diào)調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸與分光計(jì)中心軸垂直，及調(diào)節(jié)平行光管光軸與分光計(jì)中心軸垂直這兩部分操作相對(duì)都比較簡(jiǎn)單，初學(xué)者在短時(shí)間內(nèi)即可完成。