光學(xué)材料折射率的測(cè)定

1、光學(xué)材料折射率的測(cè)定Summary：Refractiveindexisoneoftheimportantparametersofopticalmaterials,whichoftenneedstobemeasuredinscientificresearchandproductionpractice.Themethodofmeasuringtherefractiveindexcanbedividedintotwocategories:oneistheapplicationofrefractiveindexandreflection,totalreflectionlaw,throughtheacc

2、uratemeasurementoftheangleoftherefractiveindexofthegeometricopticsmethod,suchastheminimumdeviationanglemethod,grazingincidencemethod,totalreflectionmethodanddisplacementmethod,etc.Anotherkindisthelightpassedthemedium（orbyadielectricreflection）andthepolarizationstatechangesofthephasechangeofthetransm

3、ittedlightorreflectedlight）andrefractionrateiscloselyrelatedtotheprincipletomeasuretherefractiveindexofthephysicalopticsmethod,suchasclothBrewsteranglemethod,interferometry,ellipsometryetc.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(cè)量它。測(cè)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(guò)準(zhǔn)確測(cè)量角度來(lái)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。

4、另一類是利用光通過(guò)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(lái)測(cè)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)干涉布儒斯特角、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:A圖1三棱鏡中的光路圖引言：本實(shí)驗(yàn)要求綜合已學(xué)過(guò)的光學(xué)知識(shí)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(duì)各種待測(cè)樣品的折射率測(cè)定，從而對(duì)光學(xué)材料折射率的測(cè)量，在原理和方法上有更全面的認(rèn)識(shí)。加深對(duì)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。TOC o 1-5 h z.5+Asm HYPERLINK l boo

5、kmark6 o Current Document sini2n=1= HYPERLINK l bookmark22 o Current Document sinrA1sin2其中A是三棱鏡的頂角，&.是出射光在i=i2時(shí)的最小偏向角。min12由上式可見(jiàn)，只要測(cè)得三棱鏡的頂角A和對(duì)鈉黃光的最小偏向角.，便可間接測(cè)出對(duì)該波長(zhǎng)的光的折射率n。min【實(shí)驗(yàn)步驟】1調(diào)節(jié)分光計(jì)到使用狀態(tài)，打開(kāi)汞燈照明平行光管，找到折射光譜對(duì)準(zhǔn)某條譜線，轉(zhuǎn)動(dòng)游標(biāo)盤和望遠(yuǎn)鏡跟蹤此譜線，當(dāng)其不再繼續(xù)移動(dòng)而反向移動(dòng)時(shí),記錄游標(biāo)盤讀數(shù)。、。2測(cè)定入射光方向，將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)平行光管，使分劃板十字豎線對(duì)準(zhǔn)狹縫中央，讀出此時(shí)兩游標(biāo)的讀

6、數(shù)卩、打，貝y最小偏向角min為:5=-9-9min21122重復(fù)測(cè)量，求平均值5=1b一O+b-0-hE；nCL11rc由公式可求出三棱鏡對(duì)鈉光的折射率13582178130338123385424404.66235747177563032412322542954261.6814335826178253042_124154241358421784230426124265416404.7823574317748303381233854854141.6796335645178453022812228541713585178430443124425322435.842357431774230422

7、12422532153211.671133575017750304301242853211357131771230591258524496.032356121761130410124105225251.6589335718177183051012595291356431764230528125265116546.07235518175183050_1250511851171.651335721177213053_1263511813571177830651264510576.96235540175393044412443505650571.647833562517624305301253050

8、5513565917703064_12635056579.07235641176413054712546505550551.64743356241762430531125305054Sminn汞譜線波長(zhǎng)/n測(cè)量序號(hào)出射光方位讀數(shù)入射光方位讀數(shù)u!uzu/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i；入射c角小于90的，折射角必小于i；大于90的入射光線不能進(jìn)入棱鏡。這樣，在AC面用c望遠(yuǎn)鏡觀察時(shí)，將出現(xiàn)半明半暗的視場(chǎng)。明暗視場(chǎng)的交線就是入射角為=90的光線的出射方

9、向。:cosA+sini、4相應(yīng)的計(jì)算公式:n=.I(lmin)2+1sinA其中i是申角極值。1min【實(shí)驗(yàn)步驟】1調(diào)節(jié)分光計(jì)和三棱鏡到使用狀態(tài)2在鈉光燈前放置一塊毛玻璃，照射折射面AB,轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，可觀察到視場(chǎng)中間有明顯的明暗分界線，記下此時(shí)游標(biāo)盤的讀數(shù)。、02轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡測(cè)出AC面法線位置0J、02圖1掠入射法原理示意【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】0100109平均1275352362095415621391839212275412361895365618392132754123618954256193923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(dòng)面

10、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(dòng)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窆猓?dāng)偏振光平行于檢偏器的偏振方向時(shí)，才能通過(guò)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(guò)。布儒斯特定律：當(dāng)入射光以匚入射角入射時(shí)則反射光為垂直入射面振動(dòng)的完全偏振光。iRBB稱布儒斯特角，其滿足：tani=2Bn1【實(shí)驗(yàn)步驟】1調(diào)節(jié)分光計(jì)到使用狀態(tài)2將待測(cè)平面玻璃板至于載物臺(tái)上，調(diào)節(jié)載物臺(tái)的傾斜度，使玻璃板的法線與分光計(jì)主軸垂直3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(dòng)載物臺(tái)以改變?nèi)肷浣?，轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡使反射光進(jìn)

11、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?，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，使目鏡視場(chǎng)中完全消光。此時(shí)的入射角即為布儒斯特角iBo用叉絲豎線對(duì)準(zhǔn)此時(shí)反射光的方向，記錄B分光計(jì)的讀數(shù)0024轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，使其正對(duì)平行光管，測(cè)出入射光的方位角0、02，則望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)過(guò)的角度為申=丄-0丿+-9切21122入射角為=(180。申)B25.重復(fù)三次測(cè)量，求i的平均值，計(jì)算玻璃的折射率B實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】位置1位置2申01020102140422204033528155256515257322372933520155166613342252222233530155

12、286655440272202433533155306454544452244433532155306914實(shí)際計(jì)算時(shí)我們用的公式是申=1G+3609)+9)21122P的平均值0=6650,i=5635,n=tani=1.52BB四、全反射法【實(shí)驗(yàn)原理】?jī)擅娣謩e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(lái)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：L16b2n=i1+d2【實(shí)驗(yàn)步驟】將猜測(cè)玻璃磚置于分光計(jì)載物臺(tái)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3觀察到玻璃平面上有一圓形暗斑，用游標(biāo)卡尺

13、測(cè)出其半徑r4用游標(biāo)卡尺測(cè)出玻璃磚的厚度b【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】12345平均r(cm)1.9021.8461.9521.9522.0061.9316d=2r(cm)3.8043.6923.9043.9044.0123.8632b(cm)1.1041.1001.1021.1001.0981.101n=1.52五、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x【實(shí)驗(yàn)步驟】1將待測(cè)玻璃塊平放于分光計(jì)載物臺(tái)上，調(diào)整分光計(jì)載物臺(tái)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(tái)與水平面基

14、本平行2固定刻度盤，轉(zhuǎn)動(dòng)游標(biāo)盤，調(diào)節(jié)載物臺(tái)高度，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023轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，記錄此時(shí)游標(biāo)盤的位置。、024在此位置下，用激光器作光屏，用游標(biāo)卡尺測(cè)出兩光點(diǎn)的距離b5用游標(biāo)卡尺測(cè)量玻璃磚的厚度d6重復(fù)步驟2-5，測(cè)量三組數(shù)據(jù)。【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】位置1位置2b/mmid/cmb/mmnn919291924422，224285121231265.56593.4265.3371.551.554418224255148231536.367293.4246.1441.454432241250023004.325533.4284.231.65n二1.55六、阿

15、貝折射儀【實(shí)驗(yàn)原理】，就可從讀數(shù)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(cè)液體(nn)夾在兩棱鏡的弦x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(guò)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(duì)應(yīng)的折射率值，測(cè)量時(shí)只要使明暗裝置上直接讀出n【實(shí)驗(yàn)步驟】1.打開(kāi)棱鏡組，用無(wú)水酒精將棱鏡組擦洗干凈2.開(kāi)動(dòng)恒溫水浴，使棱鏡組達(dá)到測(cè)量時(shí)所需的溫度3加一滴待測(cè)液體在進(jìn)光棱鏡的磨砂面上，合攏鎖緊棱鏡組白熾燈照明，調(diào)節(jié)反光鏡，使望遠(yuǎn)鏡和讀數(shù)目鏡視場(chǎng)明亮旋轉(zhuǎn)棱鏡和手

16、輪，在視場(chǎng)中可看到明暗分界線上下移動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)阿米西棱鏡手輪，視場(chǎng)中只有黑白色。將分界線對(duì)準(zhǔn)十字叉絲交點(diǎn)，記下此時(shí)的讀數(shù)測(cè)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(C)nT(C)n15.31.466410.51.476520.61.465516.01.474025.21.464121.21.472026.41.462826.41.470935.11.460231.51.468639.51.459037.31.4660石蠟：甘油：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(guò)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(zhǎng)度和折射率的測(cè)量，若

17、觀察到干涉條紋移動(dòng)一條，便是M2的動(dòng)臂移動(dòng)量為2，等效于Ml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，所以通過(guò)測(cè)量光程差既可以測(cè)出玻璃的折射率。計(jì)算式：Adn=+1S【實(shí)驗(yàn)步驟】先將邁克爾孫干涉儀調(diào)出白光干涉條紋，記下此時(shí)Ml鏡的讀數(shù)d1將待測(cè)樣品放入M2鏡與補(bǔ)償板G之間，再次調(diào)出白光干涉條紋，記下這是Ml鏡的讀數(shù)d2重復(fù)1-2，測(cè)量4組數(shù)據(jù)，并計(jì)算出折射率?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】d/mmid/mm22Ad/mmAd/mm155.742855.91560.17280.1754255.742255.91420.1702355.743355.92210.1788455.740555.92490.1799S=0.4mmn=1.44【實(shí)驗(yàn)綜合分析】調(diào)節(jié)分光計(jì)時(shí)一定要嚴(yán)格按照分光計(jì)的調(diào)節(jié)步驟來(lái)操作，因?yàn)橹挥泻芎玫貙⒎止庥?jì)調(diào)節(jié)至使用狀態(tài)，接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)才能夠順利地進(jìn)行。用最小偏向角測(cè)量折射率的實(shí)驗(yàn)中，在測(cè)量入射光的方位時(shí)，每一次都要重新測(cè)量，因?yàn)槊看螠y(cè)量時(shí)它們的入射光方位不一定相同。