分光计 物理实验论文

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（东南大学 交通学院，南京  210096）

摘  要：通过分析光路图，只使用三棱镜的光学平面来调整望远镜主光轴与分光计主轴垂直。

关键词：分光计 调节 三棱镜

Researches In Simplifying Spectrometer Adjustment

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(School of Transportation Engineering of Southeast University, Nanjing  210096)

Abstract:Trough the analysis of light path diagram, making it possible to only use the three optical flats of triple prism to adjust spectrometer.

key words: Spectrometer; Adjustment; triple prism

分光计是一种测量光线偏转角的仪器，实际上就是一种精密的测角仪。由于不少物理量如折射率、波长……等往往可以用光线的偏折来量度，因此分光计是光学实验中的一种基本仪器。在分光计的载物台上放置色散棱镜或衍射光栅，它就成为一台简单的光谱仪器；在分光计上装上光电探测器，还可以对光的偏振现象进行定量的研究。为了保证测量的精确，分光计在使用前必须调整。分光计的调整方法对一般光学仪器的调整也是有一定通用性，因此学习分光计的调整方法也是使用光学仪器的一种基本训练。

作者简介：xxx（1992-），男，江苏苏州人，本科在读。xxxxx

1 实验回顾

1.1.分光计的调整

（1）调整分光计的目的。分光计在实验中通常来测量光线经各种光学元件（如狭缝、光栅、棱镜等）后的偏转角度，其测角时的光路如图1所示。

图1

转动望远镜，使之对准偏转光线，由读数窗所得读数变化即得角度。但是为使得所得角度与实际光线偏转角度一致，必须有以下考虑。用分光计进行观测时，其观测系统基本上由下述三个平面构成，如图2。

图2

应将此三个平面调节成相互平行。

所以，仪器必须精密调整，以保证：

1入射光线是平行光（即要求调整平行光管，使之发射平行光）；

2检测工具能接收平行光（即要求望远镜调焦无穷远，亦即使平行光能成象最清晰）；

3读值平面、观察平面和待测光路平面平行（即要求调整平行光管和望远镜的光轴与分光计中心轴垂直，同时也要调整载物台平面垂直于分光计中心轴）。

1.2.调整方法。

1.2.1调整自准直望远镜。为了把望远镜调焦到无穷远，我们采用自准直法：

在望远镜之前载物台上放一镜面垂直于望远镜光轴的平面反射镜。当调节叉丝面与物镜之间的距离（即调焦），如果叉丝恰好处与物镜的焦平面上，则叉丝发出的光经物镜变为平行光，此平行光由反射镜反射回来，经物镜后所成叉丝像应准确地处在叉丝平面上。所以在调焦过程中只要在叉丝平面上看到反射回来的清晰的叉丝像时，望远镜已调焦到无穷远了。

1.2.2调整望远镜的光轴与分光计中心转轴垂直，载物平台与分光计中心转轴垂直。

这一步仍要借助平行平面镜来调整。平面镜前后两个反射面是互相平行且与其底座的底面垂直的。若望远镜及载物台均已调成与分光计中心转轴垂直，则平面镜放在载物台任意位置上，都应看到如图3所示图像。将平台转过180°观察（见图4），也应如此。

图3

图4

1.2.3使平行光管发出平行光，并使其光轴与分光计转轴垂直。

这一步可用已调好的望远镜作为基准，调节平行光管狭缝至透镜的距离，使在望远镜中能看到狭缝清晰的像，且缝像与叉丝无视差。这时平行光管已发射平行光再调节平行光管倾斜度使狭缝像处于分划板上下面一条水平线上（此时应将原先竖着的狭缝转90°，成水平状，调整好还应将其恢复到原位置）。这样平行光管光轴与望远镜光轴就平行了，也就是说平行光管光轴也垂直于分光计中心转轴了。

2 问题提出

能否直接通过三棱镜的光学平面来把望远镜调焦到无穷远（即1.2.1）？能否直接通过三棱镜的光学平面调整望远镜主光轴与分光计主轴垂直？（即1.2.2）

3 问题分析

3.1 对于1.2.1的调节

可以把三棱镜的一个光学平面作平面镜用，达到调焦的目的。

在望远镜之前载物台上放上三棱镜，使其一个光学平面垂直于望远镜光轴的平面反射镜。当调节叉丝面与物镜之间的距离（即调焦），如果叉丝恰好处与物镜的焦平面上，则叉丝发出的光经物镜变为平行光，此平行光由光学平面反射回来，经物镜后所成叉丝像应准确地处在叉丝平面上。所以在调焦过程中只要在叉丝平面上看到反射回来的清晰的叉丝像时，望远镜已调焦到无穷远了。

3.1 对于1.2.2的调节

一个光学平面显然做不到，下面分析两个光学平面能不能做到。

我们通过调节载物台面与望远镜的倾斜度总可以把仪器系统调整到如图5所示的状态。

望远镜

图5

图5中，E为分光计主轴OO／上的任一点，过点E作EF、EG分别垂直于三棱镜的两个光学面A／ACC／与A／ABB／；设θ1、θ2分别为EF、EG与OO／轴的夹角，  且θ1=θ2≠90°；望远镜主光轴∥EG。容易证明，在此状态下，望远镜的主光轴首先⊥A／ABB／面，而当三棱镜随载物台转过φ角（即EF与EG的夹角）后，A／ACC／面就转至与先前A/ABB/面平行或重合的位置 ，此时望远镜的主光轴又⊥A／ACC／面。由此可见，在三棱镜随同载物台转动φ角前后，三棱镜两光学面反回的十字像都与调节用叉丝重合，但此时，望远镜的主光轴显然不垂直OO／轴。

 所以不能只用三棱镜的两个光学平面，下面分析用三棱镜的三个光学平面。

H

望远镜

图6

如图六所示，E为分光计主轴OO／上的任一点，过点E作EF、EG、EH分别垂直于三棱镜的两个光学面A／ACC／、A／ABB／与C／CBB／；设θ1、θ2、θ3分别为EF、EG.、EH与OO／轴的夹角，望远镜主光轴∥EG。当望远镜的主光轴分别垂直于A／ABB／、A／ABB／与C／CBB／面，三棱镜三个光学面反回的十字像都与调节用叉丝重合，此时，θ1=θ2=θ3=90°，即望远镜的主光轴垂直OO／轴。

参考文献：

[1]钱锋，潘人培. 大学物理实验（修订版）[M]. 2005，高等教育出版社，2006. 230-231..