CN103884490B - 基于光杠杆的测量双棱镜折射率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光杠杆的测量双棱镜折射率的方法和装置，该装置包括底座、滑轨、激光自准器、支架和标尺，其中，所述底座上安装滑轨，滑轨上安装有丝杠，所述丝杠穿过载物台下端并与其连接，旋动所述丝杠时，载物台可在所述滑轨上水平移动；所述导轨一端设置有升降块，另一端设置有所述激光自准器；所述支架安装在所述底座的端部，支架上设置有光杠杆组；所述滑轨上安装调平螺钉和定位螺钉，所述滑轨的水平角的调节通过调平螺钉来实现，所述升降块的升降通过其下端的所述定位螺钉的旋动来实现；所述标尺由表面带有毫米刻度的平面镜组成。本发明实验现象直观，精度高，成本低，操作简便，可以用来开设新的大学物理实验项目，适合高校使用。

Description

基于光杠杆的测量双棱镜折射率的方法和装置

技术领域

本发明涉及光学测量领域，尤其涉及一种基于光杠杆的测量双棱镜折射率的方法和装置。

背景技术

双棱镜是一个重要的光学器件，可以用它观察并测量一系列的光学量，例如光波波长。折射率是双棱镜的一个重要参数，目前对这个参数的测量，采取的方法有，光波干涉法，二次成像法，也有用分光仪测量的，这些方法使用仪器复杂，仪器调节繁琐，成本较高。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本创作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光杠杆的测量双棱镜折射率的方法和装置，用以克服上述技术缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种基于光杠杆的测量双棱镜折射率的装置，其包括底座、滑轨、激光自准器、支架和标尺，其中，

所述底座上安装滑轨，滑轨上安装有丝杠，所述丝杠穿过载物台下端并与其连接，旋动所述丝杠时，载物台可在所述滑轨上水平移动；所述导轨一端设置有升降块，另一端设置有所述激光自准器；

所述支架安装在所述底座的端部，支架上设置有光杠杆组；

所述滑轨上安装调平螺钉和定位螺钉，所述滑轨的水平角的调节通过调平螺钉来实现，所述升降块的升降通过其下端的所述定位螺钉的旋动来实现；

所述标尺由表面带有毫米刻度的平面镜组成。

进一步，所述光杠杆组件包括：光杠杆转轴、光杠杆载物架、光杠杆线性激光源和夹子，所述光杠杆转轴上安装光杠杆载物架，所述光杠杆载物架上安装光杠杆线性激光源和簧片。

进一步，所述激光自准器包括：毛玻璃片和线性激光器，所述毛玻璃片的中部安装有线性激光器，线性激光器发出的光经过标尺反射返向毛玻璃片，当反射光线与出射光线重合时，滑轨与标尺垂直。

进一步，所述底座由铸铁制成，长50cm，高30cm；所述滑轨由钢制成，30cm长，中部开槽。

进一步，所述光杠杆线性激光源为半导体线性激光源。

进一步，所述毛玻璃片直径为2cm，所述线性激光器为半导体线性激光源。

本发明还提供一种基于光杠杆的测量双棱镜折射率的方法，其基于上述光杠杆的测量双棱镜折射率的装置实现的，该具体过程为：

步骤a，测定双棱镜的锐角；

在该步骤中，将激光自准器断电，向光杠杆组件的线性激光源通电，光线射向标尺，记下标尺读数n₁，同时设滑轨位置为m₁；通过旋动丝杠带动载物台向标尺方向移动一段距离，同时设滑轨位置为m₂，此时光杠杆后足被抬高，进而线性激光源射向标尺的位置发生变化，读数为n₂；设双棱镜的锐角为α，载物台由m₁移动到m₂时，光杠杆组件后足高度变化为Δd，光杠杆的角度变化恰好也为α，有如下关系式：

$\tan \mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δd}}{m_2-m_1}---\left(1\right)$

相应的，线性激光源射向标尺的光线角度变化为β，

$\tan \mathrm{\β}=\frac{n_2-n_1}{D}---\left(2\right)$

由于θ等于β，所以有：

$\tan \mathrm{\α}=\frac{n_2-n_1}{D}---\left(3\right)$

双棱镜的锐角计算公式为：

$\mathrm{\α}=\arctan \frac{n_2-n_1}{D}---\left(4\right);$

步骤b，测定双棱镜的最小偏向角；

关闭线性激光源，打开激光自准器，其光线直接照射在标尺上，记录读数n′₁；把双棱镜固定在光杠杆载物架上，用夹子固定；把光杠杆的后足搭在升降块上；激光自准器发出的光经过双棱镜折射后打在标尺上，读数为n′₂，光偏向角为δ；旋动定位螺钉使得升降块向上浮动，光杠杆组件带动双棱镜产生偏转，光偏向角δ随之发生变化，在标尺上产生新的读数n′_x，当Δn_min＝n′_x-n′₁最小时，对应的偏向角δ为最小偏向角δ_min，其计算式为：

${\mathrm{\δ}}_{\min }=\arctan \frac{\mathrm{\Δ}{n}_{\min }}{D}---\left(5\right);$

步骤c，计算双棱镜的折射率n；

依据棱镜折射率计算公式：

$n=\frac{\sin \frac{1}{2}({\mathrm{\δ}}_{\min }+\mathrm{\α})}{\sin \frac{1}{2}\mathrm{\α}}---\left(6\right)$

把(4)和(5)式带入(6)式即可求得双棱镜折射率n为：

$n=\frac{\sin \frac{1}{2}(\arctan \frac{\mathrm{\Δ}{n}_{\min }}{D}+\arctan \frac{n_2-n_1}{D})}{\sin \frac{1}{2}\left(\arctan \frac{n_2-n_1}{D}\right)}---\left(7\right)$

进一步，在测量之前，首先调节滑轨与标尺垂直；

具体过程为，将待测双棱镜放置在载物台上，激光自准器发出的光射向标尺，光线向毛玻璃片反射，调节调平螺钉，使得反射光线射入线性激光器，反射光线与出射光线重合，此时滑轨与标尺垂直，标尺距离光杠杆组件的转轴的距离为D。

与现有技术相比较本发明的有益效果在于：本发明通过几何光学方法实现了对双棱镜折射率的测量，拓展了光杠杆的应用领域。本发明实验现象直观，精度高，成本低，操作简便，可以用来开设新的大学物理实验项目，适合高校使用。

附图说明

图1为本发明基于光杠杆的测量双棱镜折射率的装置的结构示意图；

图2为本发明光杠杆支架的结构示意图；

图3为本发明激光自准器的结构示意图；

图4为本发明测量双棱镜锐角的原理图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

本发明利用光杠杆，通过几何光学的方法即可实现对双棱镜折射率的测量。

请参阅图1所示，其为本发明基于光杠杆的测量双棱镜折射率的装置的结构示意图，该装置包括底座1、滑轨2、丝杠3、载物台4、激光自准器5、支架6、标尺11、双棱镜12，所述底座1由铸铁制成，长50cm，高30cm；底座1上安装有滑轨2，滑轨由钢制成，30cm长，中部开槽；所述滑轨2安装有丝杠3，丝杠3置于滑轨2的槽中；所述丝杠3穿过载物台4下端与之连接，旋动丝杠3时，载物台4可以在滑轨2上水平移动，在本实施例中，所述载物台为圆形平面，用来放置待测物体。

所述支架6安装在底座1的端部，支架6上部设置有光杠杆组件7。

所述滑轨2一端还设置有升降块10，在所述导轨2的另一端设置有所述激光自准器5，所述激光自准器5用来校准光路。所述滑轨2上安装调平螺钉8和定位螺钉9，所述滑轨2的水平角的调节通过调平螺钉8来实现，所述升降块10的升降通过其下端的定位螺钉9的旋动来实现；通过调节所述调平螺钉8可以使滑轨2与标尺11垂直。

所述标尺11由表面带有毫米刻度的平面镜组成；所述双棱镜12由玻璃制成。

请参阅图2所示，其为本发明光杠杆支架的结构示意图，所述光杠杆组件7包括：光杠杆转轴13、光杠杆载物架14、光杠杆线性激光源15、夹子16，光杠杆转轴13上安装光杠杆载物架14，光杠杆载物架14上安装光杠杆线性激光源15和簧片16；所述光杠杆线性激光源15为半导体线性激光源。

请参阅图3所示，其为本发明激光自准器的结构示意图，激光自准器5包括：毛玻璃片17、线性激光器18，毛玻璃片17的中部安装有线性激光器18，线性激光器18发出的光经过标尺11反射返向毛玻璃片17，当反射光线与出射光线重合时，滑轨2与标尺11垂直。

所述毛玻璃片17直径为2cm，所述线性激光器18为半导体线性激光源。

本发明基于光杠杆的测量双棱镜折射率的方法，用光杠杆测量出双棱角的锐角和最小偏向角，把这些量带入折射率公式即可获知双棱镜的折射率。该具体过程为：

步骤a，测定双棱镜的锐角；

在测量之前，首先调节滑轨2与标尺11垂直。将待测双棱镜12放置在载物台4上，激光自准器5发出的光射向标尺11，光线向毛玻璃片17反射，调节调平螺钉8，使得反射光线射入线性激光器18，反射光线与出射光线重合，此时滑轨与标尺垂直。标尺11距离光杠杆组件7的转轴13的距离为D。

测量双棱镜的锐角。将激光自准器5断电，向光杠杆组件7的线性激光源15通电，光线射向标尺11，记下标尺读数n₁，同时设滑轨位置为m₁。通过旋动丝杠3带动载物台4向标尺11方向移动一段距离，同时设滑轨位置为m₂。由于光杠杆后足位于双棱镜的不同厚度处，导致光杠杆后足被抬高，进而线性激光源15射向标尺11的位置发生变化，读数为n₂。设双棱镜12的锐角为α，载物台4由m₁移动到m₂时，光杠杆组件7后足高度变化为Δd，光杠杆组件7的角度变化恰好也为α，有如下关系式：

$\tan \mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δd}}{m_2-m_1}---\left(1\right)$

相应的，线性激光源15射向标尺11的光线角度变化为β，结合图4可知：

$\tan \mathrm{\β}=\frac{n_2-n_1}{D}---\left(2\right)$

由于θ等于β，所以有：

$\tan \mathrm{\α}=\frac{n_2-n_1}{D}---\left(3\right)$

双棱镜的锐角计算公式为：

$\mathrm{\α}=\arctan \frac{n_2-n_1}{D}---\left(4\right).$

步骤b，测定双棱镜的最小偏向角；

关闭激光源15，打开激光源5，其光线直接照射在标尺11上，记录读数n′₁。把双棱镜12固定在光杠杆载物架14上，用夹子16固定，如图2所示。把光杠杆组件7的后足搭在升降块10上。激光源5发出的光经过双棱镜12折射后打在标尺11上，读数为n′₂，光偏向角为δ。旋动定位螺钉9使得升降块10向上浮动，光杠杆组件7带动双棱镜12产生角度偏转，光偏向角为δ随之发生改变，在标尺11上产生新的读数n′_x，当Δn_min=n′_x-n′₁最小时，对应的偏向角δ为最小偏向角δ_min，如图1所示。

其计算式为：

${\mathrm{\δ}}_{\min }=\arctan \frac{\mathrm{\Δ}{n}_{\min }}{D}---\left(5\right);$

步骤c，计算双棱镜的折射率n；

依据棱镜折射率计算公式：

$n=\frac{\sin \frac{1}{2}({\mathrm{\δ}}_{\min }+\mathrm{\α})}{\sin \frac{1}{2}\mathrm{\α}}---\left(6\right)$

把(4)和(5)式带入(6)式即可求得双棱镜折射率n为：

$n=\frac{\sin \frac{1}{2}(\arctan \frac{\mathrm{\Δ}{n}_{\min }}{D}+\arctan \frac{n_2-n_1}{D})}{\sin \frac{1}{2}\left(\arctan \frac{n_2-n_1}{D}\right)}---\left(7\right)$

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于光杠杆的测量双棱镜折射率的装置，其特征在于，其包括底座、滑轨、激光自准器、支架和标尺，其中，

所述底座上安装滑轨，滑轨上安装有丝杠，所述丝杠穿过载物台下端并与其连接，旋动所述丝杠时，载物台可在所述滑轨上水平移动；所述滑轨一端设置有升降块，另一端设置有所述激光自准器；

所述支架安装在所述底座的端部，支架上设置有光杠杆组件；

所述光杠杆组件包括光杠杆载物架和簧片，所述光杠杆载物架和簧片用来固定待测双棱镜；

所述滑轨上安装调平螺钉和定位螺钉，所述滑轨的水平角的调节通过调平螺钉来实现，所述升降块的升降通过其下端的所述定位螺钉的旋动来实现；

所述标尺由表面带有毫米刻度的平面镜组成。

2.根据权利要求1所述的基于光杠杆的测量双棱镜折射率的装置，其特征在于，所述光杠杆组件包括：光杠杆转轴、光杠杆载物架、光杠杆线性激光源和簧片，所述光杠杆转轴上安装光杠杆载物架，所述光杠杆载物架上安装光杠杆线性激光源和簧片。

3.根据权利要求1或2所述的基于光杠杆的测量双棱镜折射率的装置，其特征在于，所述激光自准器包括：毛玻璃片和线性激光器，所述毛玻璃片的中部安装有线性激光器，线性激光器发出的光经过标尺反射返向毛玻璃片，当反射光线与出射光线重合时，滑轨与标尺垂直。

4.根据权利要求1所述的基于光杠杆的测量双棱镜折射率的装置，其特征在于，所述底座由铸铁制成，长50cm，高30cm；所述滑轨由钢制成，30cm长，中部开槽。

5.根据权利要求2所述的基于光杠杆的测量双棱镜折射率的装置，其特征在于，所述光杠杆线性激光源为半导体线性激光源。

6.根据权利要求3所述的基于光杠杆的测量双棱镜折射率的装置，其特征在于，所述毛玻璃片直径为2cm，所述线性激光器为半导体线性激光源。

7.一种基于光杠杆的测量双棱镜折射率的方法，其特征在于，其基于上述权利要求1-6中任一项所述的基于光杠杆的测量双棱镜折射率的装置实现的，该方法的具体过程为：

步骤a，测定双棱镜的锐角；

在该步骤中，将激光自准器断电，向光杠杆组件的光杠杆线性激光源通电，光线射向标尺，记下标尺读数n₁，同时设滑轨位置为m₁；通过旋动丝杠带动载物台向标尺方向移动一段距离，同时设滑轨位置为m₂，此时光杠杆后足被抬高，进而光杠杆线性激光源射向标尺的位置发生变化，读数为n₂；设双棱镜的锐角为α，载物台由m₁移动到m₂时，光杠杆组件后足高度变化为Δd，光杠杆的角度变化恰好也为α，有如下关系式：

$\tan \mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δd}}{m_2-m_1}---\left(1\right)$

相应的，光杠杆线性激光源射向标尺的光线角度变化为β，

$\tan \mathrm{\β}=\frac{n_2-n_1}{D}$

其中，D为标尺距离光杠杆组件的转轴的距离，由于α等于β，所以有：

$\tan \mathrm{\α}=\frac{n_2-n_1}{D}---\left(3\right)$

双棱镜的锐角计算公式为：

$\mathrm{\α}=\arctan \frac{n_2-n_1}{D}---\left(4\right)$

步骤b，测定双棱镜的最小偏向角；

关闭光杠杆线性激光源，打开激光自准器，其光线直接照射在标尺上，记录读数n′₁；把双棱镜固定在光杠杆载物架上，用簧片固定；把光杠杆的后足搭在升降块上；激光自准器发出的光经过双棱镜折射后打在标尺上，读数为n′₂，光偏向角为δ；旋动定位螺钉使得升降块向上浮动，光杠杆组件带动双棱镜产生偏转，光偏向角δ随之发生变化，在标尺上产生新的读数n′_x，当Δn_min＝n′_x-n′₁最小时，对应的偏向角δ为最小偏向角δ_min，其计算式为：

${\mathrm{\δ}}_{\min }=\arctan \frac{\mathrm{\Δ}{n}_{\min }}{D}---\left(5\right);$

步骤c，计算双棱镜的折射率n；

依据棱镜折射率计算公式：

$n=\frac{\sin \frac{1}{2}({\mathrm{\δ}}_{\min }+\mathrm{\α})}{\sin \frac{1}{2}\mathrm{\α}}---\left(6\right)$

把(4)和(5)式带入(6)式即可求得双棱镜折射率n为：

$n=\frac{\sin \frac{1}{2}(\arctan \frac{\mathrm{\Δ}{n}_{\min }}{D}+\arctan \frac{n_2-n_1}{D})}{\sin \frac{1}{2}\left(\arctan \frac{n_2-n_1}{D}\right)}---\left(7\right).$

8.根据权利要求7所述的基于光杠杆的测量双棱镜折射率的方法，其特征在于，在测量之前，首先调节滑轨与标尺垂直；

具体过程为，将待测双棱镜放置在载物台上，激光自准器发出的光射向标尺，光线向毛玻璃片反射，调节调平螺钉，使得反射光线射入线性激光器，反射光线与出射光线重合，此时滑轨与标尺垂直。