波動光學綜合測試儀器設備的製作方法
2023-05-11 14:22:36 1
本發明主要涉及一種波動光學綜合測試儀器設備，尤其涉及一種能夠同時測量雙縫幹涉實驗中明(暗)條紋的寬度、單縫衍射實驗中中央明紋的寬度和其它明(暗)紋的寬度、圓孔衍射實驗中艾裡斑的直徑、光柵衍射實驗中衍射角大小、驗證馬呂斯定律、測定布儒斯特角等數個實驗內容的裝置，同時也具有上述實驗項目的演示功能。
背景技術：
早期教學中，人們採用光具座上插入光源、雙縫、和光屏來觀察雙縫幹涉現象，但是不能測量雙縫幹涉明(暗)條紋的寬度。人們採用光具座上插入光源、單縫和光屏來觀察單縫衍射現象，但是並不能測量單縫衍射中央明紋的寬度和其它明(暗)紋的寬度。人們採用光具座上插入光源、圓孔、和光屏來觀察圓孔衍射現象，但是不能測量圓孔衍射圖樣中艾裡斑的直徑。人們採用分光計來測量光柵衍射的衍射角但是必須通過望遠鏡來觀察現象，不利於教學講解。人們採用偏振光測試儀器來驗證馬呂斯定律和測量布儒斯特角，但是儀器昂貴。再者，早期教學中光源往往採用汞燈，汞燈壽命短、價格高。
綜上所述，在早期教學中，不同的實驗項目需要不同的實驗儀器，而且實驗儀器昂貴，花費大，且各儀器測試功能具有很大的局限性。
技術實現要素：
為解決目前技術的不足，本發明結合現有技術，從實際應用出發，提供一種波動光學綜合測試儀器設備，採用本設備可以完成雙縫幹涉實驗、單縫衍射實驗、圓孔衍射實驗、光柵衍射實驗、偏振光實驗、驗證馬呂斯定律、測定布儒斯特角等數個實驗項目的演示和測量，綜合性強，節約成本。
為實現上述目的，本發明的技術方案如下：
波動光學綜合測試儀器設備，包括設置有中心軸的底座，中心軸上設置用於安裝可調節光源和待測光學器件的光源軌道、用於讀取轉動角度的遊標盤，遊標盤外圍套設可轉動刻度盤，刻度盤連接可與其同步轉動的光屏軌道，光屏軌道上設置用於接收光源信號的可調節光屏。
遊標盤上對徑設置α遊標和β遊標，用於配合刻度盤測量角度。
所述α遊標和β遊標上面分別標有最小分度值為1′的0～30′的分度線，刻度盤的周向均勻標有最小分度值為30′的0～360°的分度線。
光源軌道和光屏軌道上均設有最小分度值為毫米的刻度。
中心軸上還設置有與遊標盤同軸的載物臺，載物臺中心處設置用於固定待測光學器件的插孔。
載物臺為雙層結構，上層通過三個可調節高度和水平度的調平螺絲頂起。
中心軸上還設置有可轉動的支撐臂，光屏軌道和遊標盤均與支撐臂固定連接。
光源軌道下方還設有用於支撐的立柱，光源軌道上安裝光源底座和備用底座，光源底座上安裝光源，備用底座上安裝待測光學器件；光屏軌道上安裝光屏底座，光屏底座上安裝光屏。
所述光源為雷射器。
本發明的有益效果：
1、本發明只用一套實驗教學儀器就可以完成多項實驗項目的演示和測量，綜合性能強，效率高，節約了實驗成本，且相比分光計，其光路外漏、實驗現象直觀更便於教學講解；相比光具座上所做的單縫衍射和雙縫幹涉和圓孔衍射實驗來講，本發明能夠精準測量，可以用於對重要光學定理的實驗驗證。
2、本發明採用相對運動原理，達到測量微小角度的目的，精度高。
3、本發明對徑設計遊標，消除了偏心差，降低了測量誤差。
4、本發明結構牢靠，能夠保證所有實驗平穩進行。
5、本發明的光源採用可攜式雷射器，單色性好，價格低，壽命長。
附圖說明
附圖1為本發明總體結構示意圖。
附圖中所示標號：1、光源；2、光源底座；3、備用底座；4、光源軌道；5、載物臺；6、插孔；7、調平螺絲；8、光屏軌道；9、光屏；10、光屏底座；11、手柄；12、β遊標；13、鎖緊螺絲；14、遊標盤；15、α遊標；16、刻度盤；17、立柱；18、中心軸；19、支撐臂；20、底座。
具體實施方式
結合附圖和具體實施例，對本發明作進一步說明。應理解，這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之後，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所限定的範圍。
如附圖1所述，本設備底座20的中心安裝上細下粗逐級次遞增的中心軸18，中心軸18上依次套有支撐臂19，遊標盤14，光源軌道4和載物臺5，光源1採用可攜式雷射器，通過光源底座2安裝在光源軌道4上，為了達到實驗效果，雷射器上下可調，左右可移動，並且軌道4上面均勻刻有最小分度為毫米的刻度，可以測量光源1到中心軸18之間的距離。備用底座3是為插入其它不同的光學器件而設計，光源軌道4通過立柱17支撐，並通過中心軸18固定。
光屏軌道8焊接在支撐臂19上，並和刻度盤16焊接在一起，在光屏軌道8的下方焊接手柄11，當轉動手柄11時，刻度盤16和光屏軌道8一起轉動，從而達到測量角度的目的。光屏軌道8上帶有光屏底座10用來插入光屏9，光屏軌道8上面均勻刻有最小分度為毫米的刻度用來測量刻度盤16到光屏9之間的距離。光屏9用黑色磨砂屏，用於吸收其它反射光，在光屏9中央畫上十字白線，用來定位衍射或者幹涉圖樣。
在遊標盤14的上面對徑設計了α遊標15和β遊標12，這樣設計是為了消除偏心差所產生的誤差。兩個遊標上面分別標有最小分度值為1′的0-30′的分度線，它們的設計是為了配合刻度盤16來測量角度，刻度盤16的一周均勻標有0-360°的分度線，且每0.5°的地方還刻有短線，即最小刻度為30′。測量時讀出α遊標15和β遊標12所對應的兩個數值，然後取平均值就是光屏9的位置。立柱17和儀器底座20均採用鋼鐵實心鑄造，它們質量大，而且結實是為了防止振動，保證所有實驗能夠平穩地進行。
載物臺5位於中心軸18的最上端，中央設計了插孔6，可以插入光學儀器，插入的實驗儀器可以通過鎖緊螺絲13鎖緊。載物臺5的上面均勻刻有最小分度值為1°的0-360°的刻度，可用於測量布儒斯特角。載物臺5的下面有三個調平螺絲7，可以調節載物臺5的高度和水平度。
下面結合幾個具體實施例，對本發明進一步具體說明：
實施例1-雙縫幹涉實驗及幹涉條紋的測量：
把製作好的雙縫(雙縫的間距可以是0.1mm—0.5mm)，安裝固定在一個支架上，把支架插入備用底座3上，打開雷射器1，讓雷射通過雙縫，調整光屏9，使通過雙縫的光投射到光屏9上，形成等間距的幹涉條紋。微調光屏9使幹涉條紋中的其中一條幹涉明(暗)條紋的中心與光屏中的白色豎線重合，並記錄下α遊標15和β遊標12的讀數記作α1和β1，然後移動手柄11，使白色豎線到達相鄰的明(暗)條紋的中心時，記錄此時兩個遊標的讀數α2和β2，這樣就可以計算出手輪光屏9移動的角度θ，即從光源軌道4和光屏軌道8上可以讀出光屏9和雙縫之間的距離L，從而可以算出幹涉條紋的間距為Δx＝Lθ。在實際操作中為了減少誤差，可以一次計算出10個條紋的寬度，最後再除以10。
實施例2-單縫衍射實驗及中央明紋的測量
把製作好的單縫(單縫的寬度是0.1mm—0.3mm)，安裝固定在一個支架上，把支架插入備用底座3上，打開雷射器1，讓雷射通過單縫，調整光屏9，使衍射圖樣投射到光屏9上，移動光屏9，使十字叉絲固定在+1級暗紋中心，讀出此時兩個遊標的讀數α遊標15和β遊標12的讀數記作α1和β1，之後轉動光屏，使光屏上十字叉的交點固定在-1級暗紋中心，讀出此時α遊標15和β遊標12的讀數記作α2和β2，利用公式求出轉過的角度θ，從光源軌道4和光屏軌道8上可以讀出光屏和單縫之間的距離L，從而可以求出中央明紋的寬度為Δx0＝Lθ，同理可以測量其它明紋的寬度。
實施例3-圓孔衍射實驗及艾裡斑直徑的測量
把製作好的圓孔(圓孔的直徑為0.1mm—0.5mm)裝在支架上，把支架插入備用底座3中，讓雷射器1發出的光通過圓孔，調整光屏9，使通過圓孔的光投射到光屏上，形成圓孔衍射圖樣。微調光屏9，使艾裡斑的左邊緣(即第一級暗環條紋中心)正好與光屏上十字叉絲的交點重合，並記錄此時兩個遊標α遊標15和β遊標12的讀數記作α1和β1，然後移動手柄使光屏上的十字叉絲交點落在艾裡斑的右邊緣(第一級暗環條紋中心)心時，記錄此時α遊標15和β遊標12的讀數α2和β2，利用公式求出轉過的角度θ，從軌道4和光屏軌道8上可以讀出光屏和圓孔之間的距離L，從而可以求出艾裡斑的直徑為D＝Lθ。
實施例4-光柵衍射實驗及衍射角的測量
將帶有底座的光柵放在載物臺5上，調節雷射器1讓雷射通過光柵投射到光屏9上，調節光屏使零級衍射光譜與光屏9上的白色豎線重合，記錄此時兩個遊標α遊標15和β遊標12的讀數記作α1和β1，然後轉動手柄使光屏9的白色豎線和第一級衍射光譜重合，記錄此時α遊標15和β遊標12的讀數α2和β2，利用公式求出轉過的角度θ，這就是光柵衍射的第一級衍射角，同理可以測量其它級衍射角。
實施例5-偏振光實驗及玻璃的布儒斯特角測量
將一個教學用偏振片安裝到支架上並插入到備用底座3上，打開雷射器1，讓雷射通過偏振片，調節光屏9，使出射光照到光屏9上，旋轉偏振片一周(即改變偏振片的偏振化方向一周)，觀察光屏9上光強的變化，從而認識偏振化方向對線偏振光強度的影響。然後將另一個偏振片安裝在支架上，插入載物臺插孔6中，並通過鎖緊螺釘13固定，轉動其中一個偏振片一周，觀察光屏9上光強的變化，驗證馬呂斯定律的正確性。
將一教學用偏振片安裝在支架上，並把它插入到備用底座3上，打開雷射器1，把需要測量的玻璃安裝在底座上，並放在載物臺5上，載物臺5的邊緣上刻有0-360°的刻度線。調整載物臺5及待測玻璃，使光垂直照射在玻璃上，記錄此時待測玻璃在載物臺上的位置即θ1，然後轉動待測玻璃任意銳角，並轉動手柄11使待測玻璃上的反射光照射到光屏9上，觀察反射光的強度，轉動偏振片使光強變得最弱，之後再轉動待測玻璃並觀察反射光強度，當光強變為零時，停止轉動玻璃片並記錄此時待測玻璃的位置θ2，那麼待測玻璃的布儒斯特角就為i0＝θ2-θ1。