CN110927108A - 照射双棱镜的棱和底面测量材质折射率的方法 - Google Patents

Abstract

照射双棱镜的棱和底面测量材质折射率的方法；激光器外壳为圆柱体，激光器能够绕中心轴线旋转；两个激光器的出射光在一条直线上；每个刻度尺有一个正方形孔洞使激光器的出射光点由圆形光点改变为正方形；双棱镜位于两个激光器的正中间；右侧激光器照射到双棱镜的棱，两个反射光点的最近端的距离为S1；关闭右侧激光器，打开左侧激光器，旋转左侧激光器，向后移动双棱镜，使左侧激光器的激光垂直于双棱镜的底面照射到前端棱面对应的底面，折射光点的后端和正方形孔洞后端之间的距离为S2，即正方形孔洞与折射光点同一侧之间的距离为S2；左侧激光波长对应的材质折射率为n=2S2/S1。测量原理清晰，测量方法易懂，计算简单。

Description

照射双棱镜的棱和底面测量材质折射率的方法

技术领域

本发明涉及折射率的测量，特别是双棱镜或者小角度尖劈的折射率的测量。

背景技术

折射率的测量主要是依据折射定律，常采用全反射进行测量；使用的工具通常采用分光计或者阿贝折射仪，分光计和阿贝折射率的调节比较复杂；同时，阿贝折射仪对材质的形状、大小和厚度有一定的要求，对于某些形状的材质则无法进行测量。所以，有必要依据透明材质的具体形状提出适宜的测量方法。

发明内容

本发明主要针对双棱镜一类的小角度尖劈提出折射率的测量方法。

本发明实现发明目的采用的技术方案是：照射双棱镜的棱和底面测量材质折射率的方法，包括两个激光器和双棱镜，双棱镜包含两个等腰三角形面和三个矩形面，最大的矩形面为底面、另外两个面为棱面，两个棱面所交的边为棱，即棱面和底面的夹角都为α；α为0.5-1^o，光学元件通过支座放置在光具座上，支座能够在光具座导轨滑动并被螺钉固定、支座上表面嵌套的滑槽使光学元件的支撑轴能够在前后方向移动，因此双棱镜的厚度相对于光具座的长度能够忽略，其特征是：激光器外壳为圆柱体，激光器能够绕中心轴线旋转；两个激光器的出射光在一条直线上；每个激光器的出射孔固定一个刻度尺，刻度尺有一个正方形孔洞使激光器的出射光点由圆形光点改变为正方形；正方形孔洞的一端为刻度尺的零点，即正方形孔洞的下边平行于刻度尺的下边和上边(因为刻度尺的刻度线是垂直于上边和下边边缘)；双棱镜位于两个激光器的正中间，即双棱镜到左侧激光器的距离和双棱镜到右侧激光器的距离相等，假定为L；左侧激光垂直于底面入射，即右侧激光垂直于双棱镜的底面照射到棱或者棱面；关闭左侧激光器、打开右侧激光器，前后移动双棱镜使右侧激光器照射到双棱镜的棱，旋转右侧激光器使两个反射光点的下端和正方形孔洞的下端到刻度尺边缘的距离相等，此时前方反射光点的前端和后端以及后方反射光点的前端和后端与刻度线平行，此时前方反射光点的后端和后方反射光点的前端的距离为S1，即两个反射光点的最近端的距离为S1；关闭右侧激光器，打开左侧激光器，旋转左侧激光器，使从棱两侧反射再折射回来的两个折射光点的前端和后端与刻度线平行，然后向后移动双棱镜，使左侧激光器的激光垂直于双棱镜的底面照射到前端棱面对应的底面，光线光路不变照射到棱面、再反射到底面、再折射出底面形成折射光点，折射光点的后端和正方形孔洞后端之间的距离为S2，即正方形孔洞与折射光点同一侧之间的距离为S2；左侧激光波长对应的材质折射率为n=2S2/S1。

本发明的有益效果：依据现有的光具座以及常用激光器；在现有激光器适当进行改造、附加一个刻度尺，为便于定位和观察，对激光出现光点进行改造（附加正方形或者长方形光阑，即刻度尺的孔洞）；测量原理清晰，测量方法易懂，计算简单。有利于中学生等理论基础较弱的人群理解，比较适合于作为演示教具使用。调节激光器的等高以及光学元件的等高是一种实验技能，光学元件的同轴调节也是一种调节技能，需要精细调节的光学元件能够通过支座的支撑轴顶部布置支撑架进行前后、左右的调节来实现（上下的调节能够替换为支撑轴的上下调节来实现），本发明主要要点在于测试原理的表述，同轴等高调节以及水平调节等试验技能不是本发明的重点。

附图说明

图1是双棱镜示意图（其中标记3的虚线部分表示被遮挡；因为在该图中，底面被遮挡）；图2是激光器出射孔示意图（虚线圆表示出射孔）；图3是标尺与出射孔关系示意图（标尺不透明，标尺有一个正方形或者长方形孔洞）；图4是光点照射到棱产生反射示意图（放大示意图以便于标注）；图5是光线垂直照射底面透射到棱面再反射并折射出底面示意图（放大示意图）；图6是光线垂直照射底面透射到棱面再反射并折射出底面示意图（真实光路图，即底面入射光点和折射光在底面的出射点的差异能够忽略）；图7是光点照射到棱产生反射示意图（真实光路示意图）；图8两个激光器出射光共线示意图；图9双棱镜斜插示意图（初始状态，便于识别反射光点和折射光点，相对于反射光而言、折射光远离入射光）；图10是左侧激光器垂直照射到双棱镜的底面(即右侧侧激光器垂直于双棱镜的底面这个方向照射到双棱镜的棱和棱面上)的示意图；图4-10为俯视图。

其中，1、激光器；2、双棱镜；3、底面；4、棱面；5、刻度尺；6、孔洞；7、出射孔；8、棱；9、侧面。

具体实施方式

备注：附图4-10属于俯视图；图4-10中的上下关系在水平面为前后关系，所以表述中的附图4-10的上下方向调节与水平方向的前后调节是相同的步骤。

激光器1作为一种常用光学元件，激光器的支座固定在光具座上，支座中间（中心）有一个孔洞能够插入支撑轴，支撑轴能够通过紧固螺钉固定；支撑轴的上端固定连接一个平板（称为固定板），固定板后方通过三根弹簧连接另外一个平板（称为悬空板），两个平板中心都有一个孔洞，激光器的圆柱位于两个孔洞中（固定板的孔洞直径大于悬空板孔洞直径），激光器固定在悬空板的孔洞中（能够通过螺钉紧固或者摩擦力紧固，现有大多数激光器为摩擦力紧固，也有部分为粘接固定，本发明优选紧固螺钉紧固、旋松紧固螺钉能够转动激光器），悬空板左侧螺纹孔和下端螺纹孔的螺钉接触固定板后表面、调节螺钉的旋入长度可以调节激光器光线的前后和上下（俯仰）方向。

激光垂直于双棱镜2的底面3照射到棱8上的实现方法：

第1步、调节两个激光器出射光共线，如图8，在光具座将两个激光器靠拢，调节（旋转使激光器的固定板大致垂直于光具座的长度方向和升降调节使两个激光器的出射孔等高）两个激光器的支撑轴，使两个激光器的出射孔9等高（这是一种常见的光学元件等高调节），然后紧固激光器支撑轴的紧固螺钉，再移动两个激光器的支座使两个激光器分别位于光具座的两端并固定支座的紧固螺钉将支座固定在光具座上（即固定两个激光器），关闭右侧激光器、打开左侧激光器，调节左侧激光器的前后和俯仰调节螺钉（这属于微调），使左侧激光器发出的光线照射到右侧激光器的出射孔；同理，关闭左侧激光器、打开右侧激光器，调节右侧激光器的前后调节螺钉和俯仰调节螺钉，使右侧激光器出射的光线照射到左侧激光器的出射孔，此时达到两个激光器的光线为同一条直线传播；

第2步：双棱镜斜插到光路，如图9，双棱镜明显倾斜插入产生向后的反射光和折射光，折射光更趋向于后方、即最后方为折射光，顺时针旋转双棱镜使反射光反射到左侧激光器的出射孔，即左侧光线垂直入射到双棱镜的底面，由于右侧的激光器的激光与左侧激光器的激光共线，所以右侧激光器垂直于双棱镜的底面这个方向照射到双棱镜的棱或者棱面上，此时紧固双棱镜的支撑轴紧固螺钉和双棱镜支座的紧固螺钉（此时，支座上表面一般嵌套一个能够前后方向移动的装置，带动双棱镜进行前后方向移动，能够带动支撑轴前后移动的支座是一种现有技术）；

第3步：

调节双棱镜的前后方向（部分支座具备这个功能），如图10（图10是俯视图，在图10中是上下调节，在水平面是前后调节），使左侧的激光照射到双棱镜的前侧棱面的后表面（图10俯视图的上端棱面的后表面），此时关闭左侧的激光器，打开右侧的激光器，则右侧激光器将垂直于底面照射到双棱镜棱面或者棱上。

刻度尺5的刻度线应该平行于双棱镜的棱8，一般由厂家制作完成，也可以是刻度尺5能够旋转（优选：激光器是圆柱形，能够旋转激光器，使反射光点和折射光点照射到刻度尺上，并确保反射光点的下端边线和正方形孔洞的下端边线共线（即反射光点的下端边线和正方形孔洞的下端边线距离刻度尺的边缘距离相等）；同理，折射光点下边和正方形孔洞下边共线。

两个反射光点最近端之间的距离为S1，即前方反射光点后端和后方反射光点前端之间的距离S1。折射光点和出射孔同一侧之间的距离为S2，比如，测量折射光点的前端（后端）和出射孔前端（后端）之间的距离S2。

因为折射率与材质和光的波长有关，测量折射率应该采用单色光，为便于观察一般采用平行光，激光的发散角比较小，近似认为是平行光；激光的波长比较稳定，是比较理想的单色光。

其中，激光照射到双棱镜2的棱8上，存在两个反射光点和两个折射光点，照射到前方一侧棱面4的反射光与棱面4在同一侧；折射光在棱面4的另外一侧（即后端棱面一侧），一个光屏从棱面4外侧向棱8靠拢，逐渐消失的两个光点中在棱面4一侧的光点为反射光点、在另外一个棱面4一侧的光点为折射光点，本发明只关注反射光点。

实施例：

照射双棱镜的棱和底面测量材质折射率的方法，包括两个激光器1和一个双棱镜2，双棱镜2包含两个等腰三角形面和三个矩形面，最大的矩形面为底面3、另外两个面为棱面4，两个棱面4所交的边为棱8，等腰三角形面称为侧面9（两个等腰三角形面相互平行且垂直于三个矩形面），等腰三角形的两个腰和底边的夹角都为α，即棱面4和底面3的夹角为α；α为0.5-1^o，因此正弦值、正切值与角度的弧度值大致相等，双棱镜2的长度为40-60mm，其厚度为0.3-1mm，光具座的长度一般在1000mm以上，因此双棱镜2的厚度能够忽略，其特征是：激光器1外壳为圆柱体，激光器1能够绕中心轴线旋转；两个激光器1的出射光在一条直线上；每个激光器1的出射孔固定一个刻度尺5，刻度尺5有一个正方形孔洞6对准激光器1的出射孔，激光的光点在2.5-3mm，正方形孔洞6（光阑）的边长在1.5-2mm，正方体孔洞6所在的刻度尺罩住激光光点，即激光的出射光点由圆形光点改变为正方形；正方形孔洞6的一端为刻度尺5的零点；双棱镜2位于两个激光器1的正中间，即双棱镜2到左侧激光器1的距离和双棱镜2到右侧激光器1的距离相等，假定为L；激光垂直于双棱镜2的底面3照射到棱8；关闭左侧激光器、打开右侧激光器，右侧激光器照射到双棱镜的棱8，旋转右侧激光器使两个反射光点的中心与正方形孔洞的中心在一条直线（在图7中，图7是俯视图，即双棱镜的三角形面是水平放置的，光点是上下是对称的，即光点在上下方向是等高的，因此可以是两个反射光点下端与正方形孔洞下端在一条直线，同理，两个反射光点上端与正方形孔洞上端也在一条直线；理论上需要双棱镜具备俯仰调节功能，即双棱镜的夹持装置具备俯仰调节，这一点可以做到；由于本发明的设计本也存在一定程度的近似，另外任何一个测量都存在一定的误差，因此，双棱镜的棱面与支撑轴平行即可，因此，现在实验室的许多光学元件省略了俯仰调节功能、依靠光学元件的轮廓所在平面与支撑轴平行进行一定程度的弥补），两个反射光点的下端和正方形孔洞的下端到刻度尺边缘的距离相等（一般通过观察者的估计，或者通过厂家在刻度尺画一条直线过正方形孔洞下端的边，这条直线作为参考线；这是入射光、反射光、法线在一个平面内的表述），此时前方反射光点的后端和后方反射光点的前端的距离为S1，即两个反射光点的最近端的距离为S1，S1的两端与棱的连线所夹的角为4α；关闭右侧激光器，打开左侧激光器，向后移动双棱镜，使左侧激光器1的激光垂直于双棱镜2的底面3照射到前端棱面4对应的底面3，光线不发生光路改变照射到棱面4、再反射到底面3、再折射出底面形成折射光点，旋转左侧的激光器使折射光点下端和正方形孔洞6的下边在一条直线（一般通过观察者的估计，或者通过厂家在刻度尺画一条直线过正方形孔洞的下边，这条直线作为参考线），折射光点的后端和正方形孔洞6后端之间的距离为S2，即正方形孔洞6与折射光点同一侧之间的距离为S2；S2两端与入射点的连线的夹角为折射角β，与折射角β对应的入射角为2α，所以折射率为n=sin(β)/sin(2α)= tg(β)/tg(2α)=(S2/L)/(S1/2/L)=2S2/S1。

Claims (1)

1.照射双棱镜的棱和底面测量材质折射率的方法，包括两个激光器(1)和双棱镜(2)，双棱镜(2)包含两个等腰三角形面和三个矩形面，最大的矩形面为底面(3)、另外两个面为棱面(4)，两个棱面(4)所交的边为棱(8)，即棱面(4)和底面(3)的夹角都为α；α为0.5-1^o，因此双棱镜(2)的厚度相对于光具座的长度能够忽略，双棱镜(2)的棱(8)与双棱镜支座的支撑轴的中心轴线平行，其特征是：激光器（1）外壳为圆柱体，激光器(1)能够绕中心轴线旋转；两个激光器(1)的出射光在一条直线上；每个激光器(1)的出射孔固定一个刻度尺(5)，刻度尺(5)有一个正方形孔洞(6)使激光器的出射光点由圆形光点改变为正方形；正方形孔洞(6)的一端为刻度尺(5)的零点，即正方形孔洞的下边平行于刻度尺的下边和上边；双棱镜(2)位于两个激光器(1)的正中间，即双棱镜(2)到左侧激光器(1)的距离和双棱镜(2)到右侧激光器(1)的距离相等；左侧激光垂直于底面入射，即右侧激光垂直于双棱镜(2)的底面(3)照射到棱(8)或者棱面(4)；关闭左侧激光器、打开右侧激光器，前后移动双棱镜使右侧激光器照射到双棱镜的棱(8)，旋转右侧激光器使两个反射光点的下端和正方形孔洞的下端到刻度尺边缘的距离相等，此时前方反射光点的前端和后端以及后方反射光点的前端和后端与刻度线平行，此时前方反射光点的后端和后方反射光点的前端的距离为S1，即两个反射光点的最近端的距离为S1；关闭右侧激光器，打开左侧激光器，旋转左侧激光器，使从棱两侧反射再折射回来的两个折射光点的前端和后端与刻度线平行，然后向后移动双棱镜，使左侧激光器(1)的激光垂直于双棱镜(2)的底面(3)照射到前端棱面(4)对应的底面(3)，光线光路不变照射到棱面(4)、再反射到底面(3)、再折射出底面形成折射光点，折射光点的后端和正方形孔洞(6)后端之间的距离为S2，即正方形孔洞(6)与折射光点同一侧之间的距离为S2；左侧激光波长对应的材质折射率为n=2S2/S1。

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