劉文晶,金 武,楊文革,王得印,張水合

(1.蘭州大學(xué) 材料與能源學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州大學(xué) 物理學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，甘肅 蘭州 730000)

光柵作為一種色散元件被廣泛應(yīng)用于光譜測試儀器中，是此類儀器的核心部件[1,2]。光柵常數(shù)是光柵的基本參數(shù)[3]，使用分光計(jì)測試光柵常數(shù)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容[4]。光柵常數(shù)測量實(shí)驗(yàn)集分光計(jì)的調(diào)節(jié)和光柵衍射角的測量于一身，要求先調(diào)節(jié)分光計(jì)，再調(diào)節(jié)光柵，儀器狀態(tài)都滿足測試要求后，再進(jìn)行讀數(shù)。分光計(jì)的調(diào)節(jié)和光柵的調(diào)節(jié)都要求先目測粗調(diào)，再通過成像細(xì)調(diào)。本實(shí)驗(yàn)特別能體現(xiàn)光學(xué)實(shí)驗(yàn)對儀器粗調(diào)要求高，調(diào)節(jié)順序性強(qiáng)的特點(diǎn)。對培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成認(rèn)真觀察、勤于思考的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)動手能力非常有意義。在實(shí)驗(yàn)過程中，有些同學(xué)由于不能深刻了解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和調(diào)節(jié)步驟的順序性，導(dǎo)致不能在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)時(shí)間之內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。通常存在的問題有：1.望遠(yuǎn)鏡未聚焦無窮遠(yuǎn)導(dǎo)致反射像模糊，不易觀察；2.望遠(yuǎn)鏡粗調(diào)耗時(shí)長；3.光柵調(diào)節(jié)要求不清楚，等。筆者在教學(xué)實(shí)踐中，對以上3個(gè)問題進(jìn)行了深入思考，獲得了一些解決方案，經(jīng)教學(xué)實(shí)踐證明，對實(shí)驗(yàn)過程有一定的改善。本文對上述3個(gè)問題進(jìn)行深入分析，并提供解決方案，供廣大同仁參考。

1 望遠(yuǎn)鏡聚焦無窮遠(yuǎn)的調(diào)節(jié)

教材中望遠(yuǎn)鏡聚焦無窮遠(yuǎn)是通過在分劃板上觀察到平面鏡反射回來的清晰的綠十字像為標(biāo)志，但是要達(dá)到這一點(diǎn)，望遠(yuǎn)鏡和載物小平臺粗調(diào)必須達(dá)到一定的要求，使平面鏡反射回來的光線能夠通過物鏡到達(dá)分劃板。另外，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡沒有聚焦無窮遠(yuǎn)時(shí)，即使望遠(yuǎn)鏡粗調(diào)狀態(tài)較好，平面鏡反射回來的光線能夠進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡物鏡并成像，但是此時(shí)并不能在分劃板上成清晰的綠色十字像，而是模糊的綠色光團(tuán)。對于初次調(diào)節(jié)分光計(jì)的同學(xué)來說，不太容易準(zhǔn)確捕捉到這一現(xiàn)象，從而導(dǎo)致本來通過簡單調(diào)節(jié)B筒就能使望遠(yuǎn)鏡聚焦無窮遠(yuǎn)，但是卻在找反射像上浪費(fèi)大量時(shí)間。找到一種不需要粗調(diào)也能進(jìn)行望遠(yuǎn)鏡聚焦無窮遠(yuǎn)調(diào)節(jié)的方法無疑將有助于解決這個(gè)問題。

在教學(xué)實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)了下述調(diào)節(jié)方法。將平面鏡緊貼望遠(yuǎn)鏡出光口，因?yàn)橥h(yuǎn)鏡出光口平面垂直于望遠(yuǎn)鏡光軸，從目鏡中必然可以觀察到平面鏡反射回來的光在雙十字叉絲平面上成的像。如果雙十字叉絲平面位于物鏡的焦平面上，并且望遠(yuǎn)鏡接近聚焦無窮遠(yuǎn)，可以觀察到清晰的綠色十字像。如果沒有位于物鏡的焦平面上，則為綠色的光團(tuán)，前后移動望遠(yuǎn)鏡B筒，至在雙十字叉絲平面上觀察清晰的綠色十字像，此時(shí)，望遠(yuǎn)鏡聚焦無窮遠(yuǎn)。本方法只需要調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡B筒，大大簡化了調(diào)節(jié)過程。

2 借助平行光管實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡光軸垂直于分光計(jì)主軸的粗調(diào)

一般實(shí)驗(yàn)教材上都是目測粗調(diào)，然后通過判斷能否在望遠(yuǎn)鏡中觀察到平面鏡反射的光線的像判斷粗調(diào)效果是否理想。如果粗調(diào)效果理想，平面鏡旋轉(zhuǎn)180°前后都能在望遠(yuǎn)鏡中觀察到綠色十字像；粗調(diào)效果不理想，平面鏡旋轉(zhuǎn)180度前后，一面能在望遠(yuǎn)鏡中觀察到綠色十字像，一面觀察不到，甚至平面鏡旋轉(zhuǎn)180度前后都不能在望遠(yuǎn)鏡中觀察到綠色十字像。粗調(diào)效果理想時(shí)，馬上可以進(jìn)入到漸進(jìn)法細(xì)調(diào)步驟，但是粗調(diào)效果不理想時(shí)，需要借助鏡外輔助法[5]調(diào)節(jié)。在長期的教學(xué)實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)對于初次使用分光計(jì)的同學(xué)來說，鏡外輔助法較難掌握。需要通過多次練習(xí)，才能熟練使用。大量一線實(shí)驗(yàn)教師提出了望遠(yuǎn)鏡粗調(diào)的改進(jìn)方法，包括借助平行光管調(diào)節(jié)平面鏡[6]，借助輔助裝置，如水準(zhǔn)儀[7,8]、激光準(zhǔn)直系統(tǒng)[9,10]等提高粗調(diào)精度。但是這些改進(jìn)要么需要對分光計(jì)進(jìn)行改造，要么仍然對粗調(diào)狀態(tài)有一定要求[11]。

通過分析望遠(yuǎn)鏡和平行光管的位置關(guān)系，可以知道當(dāng)望遠(yuǎn)鏡光軸和平行光管光軸平行時(shí)，如果望遠(yuǎn)鏡光軸和分光計(jì)主軸不垂直，把望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)到平行光管同側(cè)，望遠(yuǎn)鏡光軸和平行光管光軸之間必然存在一個(gè)夾角。反之，如果望遠(yuǎn)鏡光軸和分光計(jì)主軸垂直，把望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)到平行光管同側(cè)，望遠(yuǎn)鏡光軸和平行光管光軸必然平行，如圖1所示。從這個(gè)位置關(guān)系出發(fā)，結(jié)合極限調(diào)節(jié)法[12]，可借助平行光管實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡粗調(diào)。具體步驟為：(1)把平行光管狹縫調(diào)到水平方向，平行光管傾斜度螺絲調(diào)到最低；(2)把望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)到平行光管同側(cè)，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡傾斜度螺絲使望遠(yuǎn)鏡鏡筒和平行光管上邊緣完全重合；(3)把望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)到平行光管對側(cè)，一邊從目鏡觀察一邊旋轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡，直到在望遠(yuǎn)鏡中看到黃色的視場。調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡傾斜度，至狹縫像剛進(jìn)入視場。調(diào)節(jié)平行光管B筒，至狹縫像聚焦清晰。此時(shí)，從平行光管出射的光為平行光。調(diào)節(jié)平行光管傾斜度，使狹縫像與中央橫叉絲(直徑)重合。重復(fù)(2)和(3)，直至把望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)到平行光管同側(cè)時(shí)，望遠(yuǎn)鏡和平行光管上邊緣完全重合，無需進(jìn)一步調(diào)節(jié)。此時(shí)，望遠(yuǎn)鏡光軸和平行光管光軸與分光計(jì)主軸近似垂直。

圖1 借助平行光管調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸垂直于分光計(jì)主軸示意圖

之后，只需調(diào)節(jié)平面鏡傾斜度，從一面能夠反射綠色十字光源發(fā)出的光在望遠(yuǎn)鏡分劃板上形成清晰的綠色亮十字像，旋轉(zhuǎn)180后必然也能找到反射形成的綠色亮十字相。再用各半漸進(jìn)法進(jìn)行調(diào)節(jié)，即可實(shí)現(xiàn)分光計(jì)的調(diào)節(jié)。

3 衍射光柵調(diào)節(jié)的要求及調(diào)節(jié)順序

在分光計(jì)調(diào)節(jié)滿足要求后，實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度與光柵的狀態(tài)密切相關(guān)。實(shí)驗(yàn)中根據(jù)綠色衍射線的已知波長和測得的衍射角計(jì)算光柵常數(shù)d，以及根據(jù)雙黃線的衍射角計(jì)算波長用到的衍射方程：

dsinθ=nλ

(1)

是在平行光垂直入射光柵面的前提下推導(dǎo)出來的，入射平行光與光柵面不垂直時(shí)，這個(gè)方程是不成立的。所以光柵調(diào)節(jié)的第一個(gè)要求是：入射光垂直光柵面入射[13]。這個(gè)要求在實(shí)際調(diào)節(jié)中是通過調(diào)節(jié)從平行光管出射的平行光與望遠(yuǎn)鏡光軸平行的同時(shí)，光柵面垂直于望遠(yuǎn)鏡光軸實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際操作中，在分光計(jì)調(diào)節(jié)結(jié)束后，為了能在望遠(yuǎn)鏡中快速找到光柵反射回來的綠色十字像，常按圖2所示的位置用光柵原位替代雙面平面鏡。通過調(diào)節(jié)載物小平臺的B1或B3螺絲達(dá)成光柵面垂直于望遠(yuǎn)鏡光軸。調(diào)節(jié)過程中，需要觀察三個(gè)標(biāo)志：望遠(yuǎn)鏡分劃板上的雙十字叉絲，光柵面反射回來的綠十字像，以及0級衍射線。最終平行光垂直入射光柵面的標(biāo)志是兩個(gè)重合：綠十字像和上十字重合，同時(shí)0級衍射譜線和豎叉絲(直徑)重合，如圖3所示。

圖2 載物臺上光柵的擺放要求

圖3 平行光垂直入射光柵面的標(biāo)志

另外，當(dāng)光柵刻線和分光計(jì)主軸不平行時(shí)，測得的衍射角會偏小。所以光柵調(diào)節(jié)的第二個(gè)要求就是光柵刻線和分光計(jì)主軸平行。實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)節(jié)B2螺絲實(shí)現(xiàn)。這個(gè)要求達(dá)成的標(biāo)志是所有衍射譜線等高。按照圖2所示放置衍射光柵，完全理想的情況下，光柵面垂直于B1，B3兩個(gè)螺絲的頂點(diǎn)的連線，調(diào)節(jié)B2螺絲是不會破壞入射光與光柵面垂直的。但是在放置光柵時(shí)不可能達(dá)到完全理想的狀態(tài)，調(diào)節(jié)B2螺絲還是會對入射光與光柵面之間的角度有輕微的影響。同理，調(diào)節(jié)B1螺絲也會對光柵刻線與分光計(jì)主軸的夾角有輕微影響。所以B1和B2螺絲要反復(fù)調(diào)節(jié)，直至上述光柵調(diào)節(jié)的兩個(gè)要求同時(shí)滿足。為了讓同學(xué)們?nèi)菀子洃洠⒅笇?dǎo)調(diào)節(jié)過程，把調(diào)節(jié)過程總結(jié)為：三標(biāo)兩重合，譜線要等高；兩者皆滿足，再測衍射角。以此明確光柵的調(diào)節(jié)要求，并指導(dǎo)光柵的調(diào)節(jié)過程。

3 結(jié) 語

對光柵常數(shù)測量實(shí)驗(yàn)中存在的3個(gè)問題進(jìn)行分析，并提出解決方案：1.通過平面鏡緊貼望遠(yuǎn)鏡出光口的方法解決聚焦不合適導(dǎo)致反射像模糊，不易觀察；2.借助平行光管調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸垂直于分光計(jì)主軸縮短望遠(yuǎn)鏡粗調(diào)時(shí)間；3.光柵調(diào)節(jié)要求總結(jié)為“三標(biāo)兩重合，譜線要等高；兩者皆滿足，再測衍射角。”方便實(shí)驗(yàn)者掌握光柵調(diào)節(jié)要求和調(diào)節(jié)順序。