光學(xué)材料折射率的測定

1、光學(xué)材料折射率的測定摘要：折射率是光學(xué)材料的重要參數(shù)之一，在科研和生產(chǎn)實(shí)際中常需要測量它。測量折射率的方法可分為兩類：一類是應(yīng)用折射率及反射、全反射定律，通過準(zhǔn)確測量角度來求折射率的幾何光學(xué)方法，如最小偏向角法、掠入射法、全反射法和位移法等。另一類是利用光通過介質(zhì)（或由介質(zhì)反射）后，透射光的相位變化（或反射光的偏振態(tài)變化）與折射率密切相關(guān)的原理來測定折射率的物理光學(xué)方法，如布儒斯特角法、干涉法、橢偏法等。關(guān)鍵詞：最小偏向角 偏振 全反射 分光計(jì)引言：本實(shí)驗(yàn)要求綜合已學(xué)過的光學(xué)知識和基本實(shí)驗(yàn)操作，查閱有關(guān)資料，擬定實(shí)驗(yàn)方案，完成對各種待測樣品的折射率測定，從而對光學(xué)材料折射率的測量，在原理和方法

2、上有更全面的認(rèn)識。加深對分光計(jì)、阿貝折射儀、邁克爾孫干涉儀等光學(xué)儀器使用方法的了解。圖1 三棱鏡中的光路圖一、最小偏向角法【實(shí)驗(yàn)原理】由圖1的三棱鏡光路圖，可以證明： 其中a是三棱鏡的頂角，min是出射光在i1=i2時(shí)的最小偏向角。由上式可見，只要測得三棱鏡的頂角a和對鈉黃光的最小偏向角min ，便可間接測出對該波長的光的折射率n?！緦?shí)驗(yàn)步驟】 調(diào)節(jié)分光計(jì)到使用狀態(tài)，打開汞燈照明平行光管，找到折射光譜 對準(zhǔn)某條譜線，轉(zhuǎn)動游標(biāo)盤和望遠(yuǎn)鏡跟蹤此譜線，當(dāng)其不再繼續(xù)移動而反向移動時(shí)，記錄游標(biāo)盤讀數(shù)1、2 測定入射光方向，將望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)平行光管，使分劃板十字豎線對準(zhǔn)狹縫中央，讀出此時(shí)兩游標(biāo)的讀數(shù)1'

3、;、2'，則最小偏向角min為： 重復(fù)測量，求平均值 由公式可求出三棱鏡對鈉光的折射率n【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】 （nm）出射光入射光minn121'2'435.891°25271°26144°54324°5353°281.67249692°38272°40144°54 324°5352°151.663 546.193°30273°28144°54 324°5451°251.655 5

4、7793°48273°48144°54324°5451°06 1.650579.193°52273°50144°54324°5351°001.648623.594°20274°22144°55324°5350°331.642二、掠入射法【實(shí)驗(yàn)原理】如下圖所示，用單色面擴(kuò)展光源（鈉光燈前加一塊毛玻璃）照射到棱鏡ab面上。當(dāng)擴(kuò)展光源出射的光線從各個(gè)方向射向ab面時(shí)，以90°入射的光線i的內(nèi)折射角最大為ic；入射角小于90°

5、;的，折射角必小于ic；大于90°的入射光線不能進(jìn)入棱鏡。這樣，在ac面用望遠(yuǎn)鏡觀察時(shí)，將出現(xiàn)半明半暗的視場。明暗視場的交線就是入射角為=90°的光線的出射方向。相應(yīng)的計(jì)算公式：其中是角極值?！緦?shí)驗(yàn)步驟】調(diào)節(jié)分光計(jì)和三棱鏡到使用狀態(tài)在鈉光燈前放置一塊毛玻璃，照射折射面ab，轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡，可觀察到視場中間有明顯的明暗分界線，記下此時(shí)游標(biāo)盤的讀數(shù)1、2轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡測出ac面法線位置1'、2'【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】121'2'· 平均1151°41331°47191°0011°0039°1639

6、6;162151°40331°48191°0111°0239°173151°42331°47191°0011°0139°15計(jì)算得，n=1.52三、偏振法【實(shí)驗(yàn)原理】光是一種電磁波，電磁波是橫波。通常光源發(fā)出的光，它的振動面不只限于一個(gè)固定方向而是在各個(gè)方向上均勻分布的。這種光叫做自然光。光的振動面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光或線偏振光。使用起偏器可以把自然光變?yōu)槠窆?，?dāng)偏振光平行于檢偏器的偏振方向時(shí)，才能通過檢偏器，當(dāng)偏振光偏振方向與檢偏器方向垂直時(shí)，光線不能通過。布儒斯特定律 ：當(dāng)

7、入射光以i入射角入射時(shí)則反射光為垂直入射面振動的完全偏振光。i稱布儒斯特角，其滿足： tg i = /【實(shí)驗(yàn)步驟】調(diào)節(jié)分光計(jì)到使用狀態(tài)將待測平面玻璃板至于載物臺上，調(diào)節(jié)載物臺的傾斜度，使玻璃板的法線與分光計(jì)主軸垂直用鈉光燈照亮平行光管，使平行光管出射的光束射到玻璃板上，轉(zhuǎn)動載物臺以改變?nèi)肷浣?，轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡使反射光進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡筒。將檢偏器套在物鏡前，讓檢偏器透振方向垂直入射面，觀察狹縫像，旋轉(zhuǎn)90°，狹縫變暗。調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡改變?nèi)肷浣牵瑫r(shí)轉(zhuǎn)動檢偏器，使目鏡視場中完全消光。此時(shí)的入射角即為布儒斯特角i。用叉絲豎線對準(zhǔn)此時(shí)反射光的方向，記錄分光計(jì)的讀數(shù)1、2轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡，使其正對平行光管，測出入射

8、光的方位角1'、2'，則望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)過的角度為入射角為i|180°|重復(fù)三次測量，求i的平均值，計(jì)算玻璃的折射率【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】位置1位置2121'2'1287°23107°24220°1840°1967°052287°28107°29220°1840°1967°103287°19107°20220°1940°2067°00的平均值=67°05，i =56°27，n=tani =1.512四、

9、全反射法【實(shí)驗(yàn)原理】兩面分別為毛面與光面的厚為b的平行板。激光由毛面垂直入射。在毛面上某一范圍內(nèi)由于反射回來的光線很弱而形成圓形暗斑。暗斑直徑為d。折射率n與暗斑直徑有如下關(guān)系：【實(shí)驗(yàn)步驟】將猜測玻璃磚置于分光計(jì)載物臺上，調(diào)整激光的出射光與水平面基本平行且垂直于玻璃磚平面在激光器和磚間加一個(gè)凸透鏡觀察到玻璃平面上有一圓形暗斑，用游標(biāo)卡尺測出其直徑d用游標(biāo)卡尺測出玻璃磚的厚度b【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】12345平均d（cm）3.893.903.903.883.88389b=1.2cmn=1.54五、位移法【實(shí)驗(yàn)原理】激光束以角i入射到平板上表面，入射點(diǎn)為o，反射管線為o'，折射光經(jīng)下表面反射后的光線

10、為o''，光線o'、o''平行，兩光線的垂直距離為a，則有下列關(guān)系式成立【實(shí)驗(yàn)步驟】將待測玻璃塊平放于分光計(jì)載物臺上，調(diào)整分光計(jì)載物臺的高度，使激光器出射的光線能打到玻璃磚上，調(diào)節(jié)激光、載物臺與水平面基本平行固定刻度盤，轉(zhuǎn)動游標(biāo)盤，觀察到玻璃磚反射回的光線正好打在出射光孔處，記錄此時(shí)游標(biāo)盤位置1、2 轉(zhuǎn)動一定角度，記錄此時(shí)游標(biāo)盤的位置1'、2'在此位置下，用游標(biāo)卡尺測出兩光點(diǎn)的距離a用游標(biāo)卡尺測量玻璃磚的厚度d【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】位置1位置2ia（mm）b（mm）121'2'79°48259°50125

11、6;08205°0640°256.298.92n=1.53六、阿貝折射儀【實(shí)驗(yàn)原理】阿貝折射儀中的阿貝棱鏡組由兩個(gè)直角棱鏡（折射率為n）組成，一個(gè)是進(jìn)光棱鏡，它的弦面是磨砂的，其作用是形成均勻的擴(kuò)展光源。另一個(gè)是折射棱鏡。待測液體(nxn)夾在兩棱鏡的弦面之間，形成薄膜。光先射入進(jìn)光棱鏡，由其磨砂弦面產(chǎn)生漫射光穿過液層進(jìn)入折射棱鏡，在鏡筒中可以看到明暗分界線。阿貝折射儀直接標(biāo)出了相應(yīng)角度對應(yīng)的折射率值，測量時(shí)只要使明暗分界線與望遠(yuǎn)鏡叉絲交點(diǎn)對準(zhǔn)，就可從讀數(shù)裝置上直接讀出nx 【實(shí)驗(yàn)步驟】打開棱鏡組，用無水酒精將棱鏡組擦洗干凈開動恒溫水浴，使棱鏡組達(dá)到測量時(shí)所需的溫度加一滴待

12、測液體在進(jìn)光棱鏡的磨砂面上，合攏鎖緊棱鏡組用白熾燈照明，調(diào)節(jié)反光鏡，使望遠(yuǎn)鏡和讀數(shù)目鏡視場明亮旋轉(zhuǎn)棱鏡和手輪，在視場中可看到明暗分界線上下移動，轉(zhuǎn)動阿米西棱鏡手輪，視場中只有黑白色。將分界線對準(zhǔn)十字叉絲交點(diǎn)，記下此時(shí)的讀數(shù)測出二種不同液體在不同溫度下的折射率【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】甘油石蠟t（）nt（）n17.81.460819.91.461023.31.460024.61.459828.41.459129.61.459033.71.45834.61.458039.71.457239.71.457143.21.455944.71.4560七、邁克爾遜干涉儀【實(shí)驗(yàn)原理】用分振幅法產(chǎn)生雙光束以實(shí)現(xiàn)干涉。通過調(diào)整該干涉儀，可以產(chǎn)生等厚干涉條紋，也可以產(chǎn)生等傾干涉條紋。主要用于長度和折射率的測量，若觀察到干涉條紋移動一條，便是m2的動臂移動量為，等效于m1與m2之間的空氣膜厚度改變。而玻璃的折射率與空氣不同（偏大）故當(dāng)插入玻璃片時(shí)，使得光程增加，也就是產(chǎn)生了相移，所以