分光计调节中的平面镜与望远镜分步调节法

刘文晶，金 武，杨文革，王得印，张水合

(1.兰州大学 材料与能源学院，甘肃 兰州 734000；2.兰州大学 物理学国家级实验教学示范中心，甘肃 兰州 730000)

分光计的调节与使用实验综合了多种光学调节方法，例如：视度调节、视差法、自准法等，也是光栅常数的测量、分光计测折射率等实验的基础。对培养学生的光学实验能力具有重要的作用。特别是由于望远镜的视场有限，对粗调有较高要求，也可以引发学生对光学实验中粗调重要性的认识。整个实验中，最容易出现问题、耗时最长的环节就是望远镜的调节。现行的实验教材中基本采用的都是在粗调后，双面平面镜旋转180°前后都能在望远镜视场中找到反射像的基础上，采用各半渐进法进行细调，实现望远镜光轴与分光计主轴的垂直。粗调理想的状况下，这种方法具有易理解，易操作的特点，但是在粗调不理想的情况下会导致双面平面镜一侧调好，旋转180°后找不到绿色十字像，无法进一步使用渐进法细调的困难。

为了提高望远镜调节的效率，大量承担光学实验教学的一线教师结合自己对分光计调节的认识和工作实践，提出了多种改进策略。这些策略大体可以分为以下3类：1.实验方法的总结：例如一看二动法[1-3]、极限调节法[4,5]、借助平行光管调节平面镜[6]等；2.借助辅助装置，提高粗调精度：包括水准仪[7,8]、激光准直系统[9,10]等；3.改造分光计[11]：添加水准仪，激光辅助装置等。这些策略都在一定程度上提高了实验效率，但仍存在一些缺陷。水准仪多用于调节载物小平台和望远镜倾斜度，但是当实验台面不水平时，简单机械地调节望远镜、载物台水平并不能实现调节目标[12]。鉴于此，有文献报道在底座上安装水平调节螺钉调节读数盘水平以解决此问题[13]。使用激光准直系统和改造分光计无疑会增加实验的投入。一看二动法和极限调节法都是基于载物小平台和望远镜共同调节，调节过程耗时长，文献[6]报道的借助平行光管调节平面镜虽然实现了平面镜和望远镜的分步调节，但是对粗调的要求仍然很高，并没有从根本上解决问题。

本文分析了本校光学实验教学组设计的基于反射定律，利用被测元件的光学面分步调节[14]的原理，并给出了具体调节过程，以提供一种调节更方便，适用性更广的分光计调节方法。

1 双面平面镜旋转前后反射像分析

现行的分光计调节实验普遍以望远镜中观察到双面平面镜旋转180°前后绿十字反射像都能与分划板上上十字叉丝重合作为望远镜光轴垂直于分光计主轴的调节标准。进行这一步调节的基本要求是双面平面镜旋转180°前后都能在望远镜中观察到绿十字反射像，而粗调的好坏直接决定了这一要求能否达成。对于长期从事实验教学，经验丰富的老师来说，通过粗调达到这一要求并不难，但是对于第一次接触分光计的学生来说，要通过目测粗调达到这一要求还是有一定难度的，要通过反复多次粗调才能实现这一要求。

通过分析望远镜光轴、平面镜反射面、分光计主轴之间的关系，可知粗调之后双面平面镜旋转180°前后在望远镜中找到的绿色反射像有3种情况：

(1)都找不到反射像：平面镜反射面与分光计主轴有较大夹角，望远镜光轴与平面镜反射面法线之间有较大夹角；

(2)一面能找到反射像，另一面找不到(如图1所示)：平面镜反射面与分光计主轴有较大夹角，能找到反射像时，望远镜光轴近似平行于平面镜反射面法线；双面平面镜旋转180°后，望远镜光轴与平面镜反射面法线之间有较大夹角；

图1 双面平面镜旋转180°前后只有一面能找到反射像时望远镜与平面镜位置关系示意图

(3)两面都能找到反射像(如图2所示)：平面镜反射面近似平行于分光计主轴，望远镜光轴近似垂直于分光计主轴。

图2 双面平面镜旋转180°前后两面能找到反射像时望远镜与平面镜位置关系示意图

可以看到，第(3)种情况是理想的粗调结果，第(1)种情况下进一步目测粗调或使用“一看二动法”也会转变成第(2)种情况，但是第(2)种情况转变成理想的第(3)种情况则需要对平面镜和望远镜进行多次调节。究其原因，主要是因为这个调节环节中涉及2个因素，平面镜反射面的倾斜度(通过载物小平台倾斜度的调节完成)和望远镜光轴的倾斜度，而且这2个因素之间还需要互相匹配。在一次调节过程中想要让这2个因素同时达到理想状态是比较困难的。如果能够把这2个因素的调节分步完成，每一步中只需要关注一个因素，将会使整个调节过程更易完成。

2 平面镜与望远镜分步调节法

本校光学实验教学组设计了一种基于反射定律，利用反射面实现平面镜与望远镜分步调节的分光计调节方法，通过实际教学过程验证，该方法可行性强，与传统的调节方法相比，调节过程对粗调要求较低，所需时间更短。

图3 利用反射面实现平面镜与望远镜分步调节原理示意图

该方法的基本原理如图3所示，当平行光管与望远镜共轴时，2光轴与分光计主轴的夹角相等。将望远镜转动到平行光管同侧附件，平行光管的光轴和望远镜的光轴之间存在一条垂直于分光计主轴的对称轴。把平行光管的狭缝调到水平，在载物小平台上放置一块平面镜，其法线方向平行于平行光管的光轴和望远镜的光轴的对称轴时，根据光的反射原理，在望远镜中可以观察到平行光管的狭缝像与双十字叉丝平面中的中央的横叉丝重合。所以，一边调节平面镜，一边在望远镜中观察狭缝像，到狭缝像与中央横叉丝重合，此时，平面镜的反射面必然平行于分光计主轴。之后，再调节望远镜倾斜度，到平面镜反射回来的绿十字像与上十字叉丝重合，望远镜的倾斜度也调节完成。

使用本文给出的平面镜与望远镜分步调节法调节分光计的具体步骤为：

(1)目测粗调望远镜倾斜度，平行光管倾斜度，载物小平台倾斜度；

(2)平面镜反射面紧贴望远镜物镜端，调节望远镜至观察到清晰的反射绿十字像，此时望远镜聚焦无穷远；

(3)调节平行光管和望远镜共轴，平行光管的狭缝调到水平；

(4)把望远镜转到平行光管一侧，2光轴间存在一定角度。

(5)参考镜外辅助法[15]，调节载物台倾斜度，在望远镜视场中，找到平行光管狭缝像。继续调节载物台倾斜度，使狭缝像与望远镜分划板中央的横叉丝重合。此时，平面镜反射面与分光计主轴平行。

(6)参考镜外辅助法，调节望远镜倾斜度，在望远镜视场中观察到清晰的绿色反射十字像，进一步调节望远镜倾斜度，使绿色十字像与叉丝平面上十字叉丝重合。

(7)旋转刻度盘，带动平面镜旋转180°，检查绿色十字像是否与上十字叉丝重合。如果重合，望远镜主轴与分光计转轴垂直调节目标达成。如果不重合，使用各半渐进法调节，直至平面镜旋转180°前后，绿色十字像都与叉丝平面上十字叉丝重合。此时，望远镜倾斜度调节结束。

3 结 语

针对现行分光计调节实验中，望远镜光轴垂直于分光计主轴调节环节需要同时调节望远镜倾斜度和平面镜倾斜度，造成粗调要求高、实验耗时长的问题，分析了基于反射定律，利用被测元件的光学面分步调节平面镜倾斜度和望远镜倾斜度的原理，并给出了使用该方法调节分光计的具体步骤。该方法实现了平面镜和望远镜倾斜度的分布调节，降低了粗调的要求，减少了调节步骤，是一种更方便快捷的分光计调节方法。