CN209911226U

CN209911226U - 光栅衍射法测量液体折射率的实验装置

Info

Publication number: CN209911226U
Application number: CN201920657609.4U
Authority: CN
Inventors: 骆敏; 郑凯璐; 余观夏; 林杨帆
Original assignee: Nanjing Forestry University
Current assignee: Nanjing Forestry University
Priority date: 2019-05-09
Filing date: 2019-05-09
Publication date: 2020-01-07
Anticipated expiration: 2029-05-09

Abstract

本实用新型提出的是一种光栅衍射法测量液体折射率的实验装置，光栅衍射法测量液体折射率的实验装置，其特征是包括激光器、反射镜、分光镜、光栅、水槽、光屏、接收装置、6个可调升降载物台、光学平台；其中6个可调升降载物台分别固定于光学平台的上表面，且6个可调升降载物台处于同一水平直线上；每个可调升降载物台的顶部沿光路方向依次设有激光器，反射镜和分光镜，光栅，水槽，光屏，及接收装置。本实用新型测量折射率时激光准直入射调节方式简单，方便，快捷；可视性强，能直观显示偏移现象，教学演示效果好；直接测量接收屏上显示的偏移量，避免重复调节光路准直，能够有效降低实验误差。

Description

光栅衍射法测量液体折射率的实验装置

技术领域

本实用新型涉及的是一种光栅衍射法测量液体折射率的实验装置，属于测量仪器设备技术领域。

背景技术

传统的光栅衍射法测量液体折射率的光学系统如图1所示：将装有待测液体的玻璃容器内部放入与激光器准直放置的衍射光栅，激光器发出的光通过玻璃容器和待测液体最后打在衍射光栅上，衍射光栅发生衍射形成多条光束，同时在接收屏上会有衍射条纹出现，通过读数系统对衍射条纹的相关数据进行处理，得出液体折射率。然而，在实际测量过程中，上述测量装置存在如下缺陷：

1）由于缺乏定位装置，导致调节激光准直入射光栅的步骤复杂困难，每测量完一种溶液的数据后，需要重新调节一次激光器和玻璃容器整体的准直，并且由于光栅是放在液体里面进行测量的，每更换一次液体，都要将光栅冲洗干净，再使用烘箱将光栅干燥，最后使用擦镜纸擦干净，防止因为光栅上存留已测液体对待测液体的影响，上述准备工序导致实验操作耗费大量时间，效率低下；

2）光栅平面相对于玻璃容器前后壁难以达到严格平行，且传统固定衍射光栅的方式（用细线吊起光栅，两头用透明胶固定）容易导致松动和脱落，若衍射光栅的位置发生改变，会对实验光路准直产生一定的影响，导致实验结果出现偏差，严重时还需要重新调节光路准直；

3）传统的测量装置接收屏背面贴有透明的硫酸纸，用于标记衍射条纹的位置，每完成一次测量后就需要更换一次硫酸纸，更换时如果动作太大，会让玻璃容器发生移动，从而影响玻璃容器整体和激光器的准直；同时，手工标记条纹位置，撕下来的硫酸纸发生卷曲和褶皱现象，均会对实验结果产生一定的影响和误差；

4）测量过程中很难保证目镜观测到硫酸纸上标记位置的两点在同一条直线上，使被测部分的横面和显微镜移动方向平行，影响实验数据精度；同时接收屏厚度对测量结果也具有一定的影响，因为一级衍射光线不是垂直入射到接收屏上时会发生折射，接收屏的前表面的光点位置和后表面的光点位置存在一个偏移，演示效果差，难以达到教学目的。目前市场上还未有专门的液体折射率测量实验仪器能够解决上述问题。

发明内容

本实用新型的目的在于克服传统采用光栅衍射法测量液体折射率的设备存在的上述缺陷，提供一种新型的光栅衍射法测量液体折射率的实验装置，该装置结构简单，调节和清洗方便，测量数据准确可靠。相对于其他测量液体折射率方法，本实用新型不仅测量原理和操作简单，可视度好，偏移现象直观，避免测量过程中的二次测量问题，而且更利于学生对光的波动特性的理解。

本实用新型的技术解决方案：光栅衍射法测量液体折射率的实验装置，其特征是包括激光器、反射镜、分光镜、光栅、水槽、光屏、接收装置、6个可调升降载物台、光学平台；其中6个可调升降载物台分别固定于光学平台的上表面，且6个可调升降载物台处于同一水平直线上；每个可调升降载物台的顶部沿光路方向依次设有激光器，反射镜和分光镜，光栅，水槽，光屏，及接收装置。所述的接收装置包括显微镜、高清相机、螺旋测微计平移台、连接线、电子显示屏，其中螺旋测微计平移台固定于接收装置对应的可调升降载物台的顶部，显微镜和高清相机分别设于螺旋测微计平移台的上表面，高清相机的镜头与显微镜的出光口相接；高清相机的图像输出端口通过连接线连接电子显示屏，电子显示屏通过细杆固定于光学平台的一角。

优选的，所述的光学平台为蜂窝光学面包板，优选尺寸为300mm×600mm×50mm，其上表面设有25mm×25mm的M6螺纹孔等间距阵列；所述的可调升降载物台的底部设有4个螺纹孔，分别与光学平台上的M6螺纹孔通过螺钉对应连接固定，其可调高度移动行程为50mm；每个可调升降载物台顶部的载物台形状分别与其对应的设备形状相适应。

优选的，所述的激光器的直径为12mm，长度为66mm，输出功率5mw，光波长650nm；所述的反射镜的外形尺寸为40mm×35mm×8mm，单面镀银膜，400nm-700nm范围内的平均反射效率大于97%；所述的分光镜的外形尺寸为40mm×35mm×8mm，单面镀半反半透膜，分光比例：透过50%，反射50%；所述的光栅的外形尺寸为57mm×42mm×1.1mm，单面刻线，刻线密度600Lines/mm；所述的水槽和光屏均采用透明亚克力板制成，水槽外形尺寸优选为120mm×60mm×60mm，壁厚2mm，光屏外形尺寸优选为250mm×90mm×2mm。

优选的，所述的螺旋测微计平移台的移动行程为100mm，并可通过数显读数；所述的显微镜的视距50-200mm，视野4-25mm，光学放大倍率为7-130倍，数码放大倍率为7-200倍；所述的高清相机优选型号为VGA230T，外形尺寸50mm×50mm×70mm，像素200万，最大输出分辨率1920×1080；所述的连接线为VGA接口线，与高清相机和电子显示屏的接口相匹配；所述的电子显示屏优选8寸高清彩色液晶显示器，外形尺寸为200 mm×164 mm，分辨率为1024×768。

本实用新型的优点：

1）激光准直入射调节方式简单，方便，快捷；

2）光栅不用放在待测液体中，避免腐蚀和对其他待测液体的影响；

3）可视性强，能直观显示偏移现象，教学演示效果好；

4）直接测量接收屏上显示的偏移量，避免重复调节光路准直，降低实验误差；

5）不需要考虑接收屏和水槽壁厚对测量结果的影响；

6）国内外尚未见有相类似产品，在功能结构上具有创新性。

附图说明

附图1是传统的光栅衍射法测量液体折射率的光学系统结构示意图。

附图2是本实用新型光栅衍射法测量液体折射率实验装置的结构示意图。

附图3是本实用新型光栅衍射法测量液体折射率实验装置的光路原理图。

附图4是反射镜和分光镜的结构示意图。

图中1是激光器、2是反射镜、3是分光镜、4是光栅、5是水槽、6是光屏、7是显微镜、8是高清相机、9是螺旋测微计平移台、10是连接线、11是电子显示屏、12是可调升降载物台、13是光学平台。

具体实施方式

下面根据说明书附图进一步说明本实用新型的技术方案。

如图2所示的一种光栅衍射法测量液体折射率的实验装置，其结构包括

激光器1、反射镜2、分光镜3、光栅4、水槽5、光屏6、接收装置、6个可调升降载物台12、光学平台13；其中6个可调升降载物台12分别固定于光学平台13的上表面，且6个可调升降载物台12处于同一水平直线上；每个可调升降载物台12的顶部沿光路方向依次设有激光器1，反射镜2和分光镜3，光栅4，水槽5，光屏6，及接收装置。

所述的光学平台13为300mm×600mm×50mm的蜂窝光学面包板，其上表面设有25mm×25mm的M6螺纹孔等间距阵列。

所述的可调升降载物台12的底部设有4个螺纹孔，分别与光学平台13上的M6螺纹孔通过螺钉对应连接固定，其可调高度移动行程为50mm；每个可调升降载物台12顶部的载物台形状分别与其对应的设备形状相适应。

所述的激光器1可聚焦点状斑点，其直径12mm，长度66mm，输出功率5mw，光波长650nm。

所述的反射镜2的外形尺寸为40mm×35mm×8mm，单面镀银膜，400nm-700nm平均反射效率大于97%。

所述的分光镜3的外形尺寸为40mm×35mm×8mm，单面镀半反半透膜，分光比例：透过50%，反射50%。如图4所示，分光镜3和反射镜2相互平行，且与水平面的夹角为45°；分光镜3和反射镜2的中心间距为20mm。

所述的光栅4的外形尺寸为57mm×42mm×1.1mm，单面刻线，刻线密度600Lines/mm。

所述的水槽5采用透明亚克力板制成，其外形尺寸为120mm×60mm×60mm，壁厚2mm。

所述的光屏6采用透明亚克力板制成，其外形尺寸为250mm×90mm×2mm。

所述的接收装置包括显微镜7、高清相机8、螺旋测微计平移台9、连接线10、电子显示屏11，其中螺旋测微计平移台9固定于接收装置对应的可调升降载物台12的顶部，显微镜7和高清相机8分别设于螺旋测微计平移台9的上表面，高清相机8的镜头与显微镜7的出光口相接；高清相机8的图像输出端口通过连接线10连接电子显示屏11，电子显示屏11通过细杆固定于光学平台13的一角。

所述的显微镜7视距50-200mm，视野4-25mm，光学倍率7-130倍，数码倍率：7-200倍。

所述的高清相机8的型号为VGA230T，外形尺寸50mm×50mm×70mm，像素200万，最大输出分辨率1920×1080。

所述的螺旋测微计平移台9的移动行程100mm，并通过数显读数。

所述的连接线10为VGA接口线，与高清相机8和电子显示屏11的接口相匹配。

所述的电子显示屏为8寸高清彩色液晶显示器，外形尺寸200 mm×164 mm，分辨率1024×768。

本实用新型采用光栅衍射法测量液体折射率原理如图3所示：其中光路1通过待测液体，光路2通过空气。

根据折射定律：

（1）

根据光路图的几何光学：

（2）

根据光栅方程：

（3）

其中是光栅常数，为光栅衍射级数，对于衍射一级，由式（1）（2）（3）可得：

（4）

由（4）式可以看出，对不同的液体来说，由于光栅常数、波长及水槽内的宽度都是不变的，所以只要测出两束光线一级衍射光点在观察屏上的位置偏移量，就可根据（4）式计算待测液体的折射率，与水槽前后两面透明板的折射率和厚度无关。

按照实验装置图2搭建光路，所有需要的光学元器件均在防震的光学平台上，通过可调升降载物台沿着同一条直线的螺纹孔搭建光路完成实验；每部分光学器件都可以通过调节可调升降载物台的固定位置来移动，从而改变光路长度，便于进行多次重复测量。

1）接通电源，通过调节可调升降载物台12的高度，使激光器发出的激光入射到45°放置的分光镜分出反射光和透射光，使反射光经过45°放置的反射镜垂直入射到光栅，透射光也垂直入射到光栅。

2）向水槽中添加一定量的待测液体，使衍射光线1和光线2分别经过待测液体和空气，在接收光屏上显示。

3）通过聚焦，调节显微镜和高清相机使光屏上的衍射光点在电子显示屏上清晰且无视差。

4）通过调节螺旋测微计平移台，测量两个一级衍射光点之间的水平间距，再由上述公式（1）~（4）即可计算得出待测液体的折射率。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在实用新型的保护范围之内。

Claims

1.光栅衍射法测量液体折射率的实验装置，其特征是包括激光器（1）、反射镜（2）、分光镜（3）、光栅（4）、水槽（5）、光屏（6）、接收装置、6个可调升降载物台（12）、光学平台（13）；其中6个可调升降载物台（12）分别固定于光学平台（13）的上表面，且6个可调升降载物台（12）处于同一水平直线上；每个可调升降载物台（12）的顶部沿光路方向依次设有激光器（1），反射镜（2）和分光镜（3），光栅（4），水槽（5），光屏（6），及接收装置。

2.根据权利要求1所述的光栅衍射法测量液体折射率的实验装置，其特征是所述的光学平台（13）为蜂窝光学面包板，其上表面设有25mm×25mm的M6螺纹孔等间距阵列；所述的可调升降载物台（12）的底部设有4个螺纹孔，分别与光学平台（13）上的M6螺纹孔通过螺钉对应连接固定，其可调高度移动行程为50mm；每个可调升降载物台（12）顶部的载物台形状分别与其对应设备相适应。

3.根据权利要求1所述的光栅衍射法测量液体折射率的实验装置，其特征是所述的激光器（1）的直径为12mm，长度为66mm，输出功率5mw，光波长650nm。

4.根据权利要求1所述的光栅衍射法测量液体折射率的实验装置，其特征是所述的反射镜（2）的外形尺寸为40mm×35mm×8mm，单面镀银膜，400nm-700nm范围内的平均反射效率大于97%；所述的分光镜（3）的外形尺寸为40mm×35mm×8mm，单面镀半反半透膜，分光比例：透过50%，反射50%；所述的光栅（4）的外形尺寸为57mm×42mm×1.1mm，单面刻线，刻线密度600Lines/mm。

5.根据权利要求1所述的光栅衍射法测量液体折射率的实验装置，其特征是所述的水槽（5）和光屏（6）均采用透明亚克力板制成。

6.根据权利要求1所述的光栅衍射法测量液体折射率的实验装置，其特征是所述的接收装置包括显微镜（7）、高清相机（8）、螺旋测微计平移台（9）、连接线（10）、电子显示屏（11），其中螺旋测微计平移台（9）固定于接收装置对应的可调升降载物台（12）的顶部，显微镜（7）和高清相机（8）分别设于螺旋测微计平移台（9）的上表面，高清相机（8）的镜头与显微镜（7）的出光口相接；高清相机（8）的图像输出端口通过连接线（10）连接电子显示屏（11），电子显示屏（11）通过细杆固定于光学平台（13）的一角。