分光计的调整和使用

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。

[一]实验目的

1． 了解分光计的结构，学会正确的调节和使用方法。 2． 掌握用自准直法调节望远镜调焦至无穷远。 3． 学会用分光计测量光学平面间夹角的方法。

[二]实验仪器

本实验使用JJY1型的分光计。该分光计由“阿贝”式自准直望远镜、装有可调狭缝的平行光管、可升降的载物平台及光学度盘游标读数系统等四大部分组成。

1 ——目镜 4 ——平行平面镜 7 ——狭缝装置 9 ——望远镜微调螺丝 12——望远镜锁进螺丝

2 ——小灯 3 ——望远镜筒 5 ——平台倾斜度调节螺丝 6 ——平行光管 8 ——望远镜倾斜度调节螺丝

10——平行光管微调螺丝 11——度盘微调螺丝 13——游标盘

图31-1

现将各部分逐一介绍。

1. “阿贝”式自准直望远镜

装有“阿贝”目镜的望远镜称“阿贝”式自准望远镜。

它用以观察平行光进行的方向。与普通望远镜相类似，它由物镜与目镜组成。改变物镜至目镜的距离，可以使不同距离远处的物体成象清晰。望远镜调焦于无穷远时，则可使从无穷远处来的平行光成象最清晰。

为了测量，物镜与目镜之间有叉丝，目镜与叉丝，及目镜、叉丝相对于物镜的距离均可调节，叉丝应位于目镜焦平面上。

目镜是有场镜和接目镜组成的，常用的目镜有二种：一是高斯目镜，在它的场镜和接目镜间装了一片与镜筒成45°角的薄玻璃片。当小灯的光经玻璃片反射后可将叉丝全部照亮。二是阿贝目镜，在目镜与叉丝之间装了一个全反射小三棱镜，小灯发出的光经小三棱镜反射后将叉丝的一部分照亮，而从目镜望去这照亮的部分刚好被小三棱镜遮住，故只能看到叉丝的其他部分，见图30-2。JJY1型分光计采用的是阿贝目镜。

图30-2

望远镜可绕分光计中心轴转动，它的倾斜度也可通过螺丝进行调节，而望远镜固定螺丝则起着把望远镜倾斜度固定的作用，见图30-1。在望远镜与中心轴相连处有望远镜锁紧螺丝，放松时可使望远镜绕中心轴转动，旋紧时可固定望远镜，见图30-1。

2. 平行光管

平行光管是仪器中产生平行光的机构。它有一个可改变缝宽的狭缝及一个会聚透镜所组成。狭缝至透镜的距离可调节。当用光源照明狭缝时，若狭缝刚好位于透镜焦平面处，则平行光管将发出平行光。平行光管与分光计底座固定在一起，它的倾斜度可以通过调整螺丝进行调节。而平行光管固定螺丝则起着把平行光管倾斜度固定的作用（见图30-1）。为了得到较精密的调整，望远镜和平行光管均装有微调机构，只要拧紧望远镜（或平行光管）的锁紧螺丝后，再转动其微调螺丝（见图30-1），则望远镜（或平行光管）就能转动微小角度。

3. 升降的载物平台

载物小平台可放光学元件，如三棱镜、光栅等。有三只调节螺钉a、b和c可改变小平台倾斜度，见图30-3。载物台也有锁紧螺丝固定位置。

图30-3

4. 读数装置

望远镜和载物台分别与刻度盘和角游标相连，它们的相对转动角度可从读数窗中读出，读数窗有A，B二个，它们相隔180°，从A，B两窗可分别读得望远镜转过的角度，然后取平均值，这样可消除中心轴可能存在的偏心。

本实验室中分光计角游标的最小分度为1（主刻度盘上每小格为30，角游标30分格的弧长与刻度盘29分格的弧长相等），游标每小格之差，见图30-4。

图30-4

例如图30-4右图的读数应为： 314°30+11=314°41 [三]实验内容

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30-5所示。

图30-5

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30-6。

图30-6

 读值平面 这是读取数据的平面，有主刻度盘和游标内盘绕中心转轴旋转时形成的。

对每一具体的分光计，读值平面都是固定的，且和中心转轴垂直。

 观察平面 由望远镜光轴绕仪器中心转轴旋转时所形成的。只有当望远镜光轴与中

心转轴垂直时，观察面才是一个平面，否则，将形成一个以望远镜光轴为母线的圆锥面。

 待测光路平面 有平行光管的光轴和经过待测光学元件（棱镜、光栅等）作用后，

所反射、折射和衍射的光线所共同确定的。调节载物台下方的三个螺丝，可以将待测光路平面调节到所需的方位。 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）。

（2）调整方法。

① 调整自准直望远镜。为了把望远镜调焦到无穷远，我们采用如下方法：

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。这个调焦方法叫做自准直法。

调整的步骤应先粗调后细调。粗调就是先从望远镜筒外侧面观察，粗略判断望远

镜的镜筒是否垂直于载物平台上的平行平面镜。由于望远镜的视场角很小，所以立即从望远镜目镜中观察，不一定能看到反射光。此时可先转动载物平台，眼睛直接从望远镜外侧面找到由平行平面镜反射回来的亮十字叉丝像，若这时眼睛高度比目镜中心高度为高（或低），则调节望远镜倾斜度螺丝和载物台调整螺丝，直至眼睛与目镜中心等高后，再从望远镜目镜中观察反射回来的光斑。然后调节望远镜物镜和分划板间的距离。当分划板处于物镜的焦平面上时，这一光斑就会形成清晰明亮的十字叉丝像，如图30-7所示。

图30-7

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30-7所示图像。将平台转过180°观察（见图30-8），也应如此。

图30-8

若没有达到上述调整要求会出现什么现象呢？我们不妨讨论二种特殊情况： （a） 若反射镜面与分光计中心转轴平行，而与望远镜轴不垂直，则当转动载物台

时，无论哪个反射面对准望远镜，在望远镜中看到叉丝的反射像总是偏上或总是偏下（见图30-9）。

图30-9

（b） 若望远镜光轴与分光计中心转轴是垂直的，而反射镜面与转轴不平行，则当转动载物台，使一个反射面正对望远镜时若叉丝箱偏下；转过180°，使另一面正对望远镜，叉丝像必偏上（见图30-10）。

图30-10 一般情况下，上述（a）、（b）两种没有调好的因素均存在，所以调整时要根据观察到反射像的现象进行分析，针对原因进行调整。通常，分二步进行：

第一步在载物台三只倾斜度调整螺丝a、b、c中选任二只例如a、c将反射镜面垂直平分ac联线放置（见图30-11（a）），并将望远镜正对反射镜的一个反射面，左右微微转载物台，从目镜中找到叉丝的反射像。然后将载物台转过180°（注意不要用手直接转动反射镜），这时反射镜的另一反射面正对望远镜，同样找到叉丝反射像。要仔细观察两个叉丝反射像相对于分划板的上面一条水平线的位置，如属一个偏上一个偏下，则反复调节载物平台倾斜螺丝a或c，使两面反射叉丝像的水平线与分划板上一条水平线距离各减小一半，逐步逼近直至重合（这叫二分之一调节法）；如属均偏上（或均偏下），则调节望远镜的倾斜度螺丝，使两面反射叉丝像均与分划板上边十字丝的水平线重合。然后不断转动载物平台，观察叉丝像是否处于图30-7所示的位置。若不符合，可重复交替用以上方法进行调节，直至两反射像由逐渐接近黑十字线到重合为止。

第二步以上调节还不能决定载物平台平面垂直于中心转轴，还需将平面镜改放在与ac平行的直径上，见图30-11（b），调节螺钉b，使反射像与叉丝重合。注意此时不能再调螺钉a、c及望远镜倾斜螺丝了（为什么？）

图30-11

望远镜和载物台调好后，它们的倾斜螺丝都不能再动了。 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（为什么？）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． 分光计的使用—测量三棱镜棱角A

两光学平面之间的夹角称为二面角。三棱镜、直角棱镜中相邻两个光学平面之间的夹角称为棱角（或称二面角）。

用一束平行光入射到三棱镜的棱角，如图30-12所示，光线（1）经AB面反射，光线（2）经AC面反射，二反射光线的夹角为。

图30-12

二反射光线的夹角与棱角A的关系很容易从几何光学中求得∠A=

 2[四] 数据记录与处理

棱镜安放如图30-13（a），棱角A对准平行光管的中心，使平行光分成两半，在AB和AC面上反射出去，并且棱角A应接*台中心，否则望远镜中会看不到反射光。测量左右两反射光线的角位置，就可算得棱角。测量时稍微改变棱角A接*台中心

的位置（左右，前后）反复测几次。 角度次数 一 二 三 四 五 左 右 左A右A A窗 B窗 A窗 B窗 左B右B A左A右A左B右B4 S= AAU （P= ）

注：仪器误差为1

在决定望远镜角位置时应注意，当游标顺向（即读数增大方向）或反方向（即读数减小方向）转过刻度盘上360°时的那个刻度应加上360°或减去360°。

如 左A=160° 左B=340° 右A=220° 右B=40°

由于B窗的读数从340顺向通过360°而达到40°的位置，所以 左B=40°+360°=400°

故实际上转过角度Δθ=20°+40°=60°，即Δθ=400°—340°=60°

0[五] 思考题

1.了解分光计各主要部件的功能,熟悉分光计上各调节螺丝的作用和调节方法,及分光计正确使用时需满足的要求。

2.为什么当调到叉丝经过平面镜反射后所成的像仍在原叉丝平面内时，望远镜就可以观察平行光了？

3.如果望远镜中看到叉丝像在叉丝的上面，而当平台转过180°后看到的叉丝像在叉丝的下面，试问这时应该调节望远镜的倾斜度呢？还是应调节平台的倾斜度？反之，如果平台转过180°后，看到的叉丝像仍然在叉丝上面，这时应调节望远镜呢？还是调节平台？

4.试根据光路图分析，说明为什么望远镜光轴与平面镜法线平行时，在目镜内应看到“+”形反射像与图30-2中叉丝的上方交点相重合？

5.利用小反射镜调节望远镜和载物台时，为什么反射镜的放置要选择 a，c的垂直平分线和平行于a, c这二个位置？随便放行不行？为什么？

6.如何调节平行光管？

7.根据图30-13说明测量三棱镜顶角时，应如何放置三棱镜？为什么？

图30-13

[附录] 圆刻度盘的偏心差 用圆刻度盘测量角度时，为了消除圆度盘的偏心差，必须由相差为180°的两个游标分别读数。我们知道，圆度盘是绕仪器主轴转动的，由于仪器制造时不容易做到圆度盘中心准确无误的与主轴重合，这就不可避免地会产生偏心差。圆度盘上的刻度均匀地刻在圆周上，当圆度盘中心与主轴重合时，由相差180°的两个游标读出的转角刻度数值相等。而当圆度盘偏心时，由两个游标读出的转角刻度数值就不相等了；所以如果只用一个游标读数就会出现系统误差。如图30-14所示，用弧AB的刻度读数，则偏大，弧的刻度读数又偏小。由平面几何很容易证明

1(弧AB弧)弧CD弧CD 2

图30-14