光学材料折射率的测定(DOC)

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1、光学材料折射率的测定Summary：Refractive index is one of the important parameters of optical materials, which often needs to be measured in scientific research and production practice. The method of measuring the refractive index can be divided into two categories: one is the application of refractive index and

2、 reflection, total reflection law, through the accurate measurement of the angle of the refractive index of the geometric optics method, such as the minimum deviation angle method, grazing incidence method, total reflection method and displacement method, etc. Another kind is the light passed the me

3、dium （or by a dielectric reflection） and the polarization state changes of the phase change of the transmitted light or reflected light） and refraction rate is closely related to the principle to measure the refractive index of the physical optics method, such as cloth Brewster angle method, interfe

4、rometry, ellipsometry etc. 摘要：折射率是光学材料的重要参数之一，在科研和生产实际中常需要测量它。测量折射率 的方法可分为两类：一类是应用折射率及反射、全反射定律，通过准确测量角度来求折射率 的几何光学方法，如最小偏向角法、掠入射法、全反射法和位移法等。另一类是利用光通过 介质（或由介质反射）后，透射光的相位变化（或反射光的偏振态变化）与折射率密切相关 的原理来测定折射率的物理光学方法，如布儒斯特角法、干涉法、椭偏法等。 关键词：最小偏向角 偏振 全反射 分光计 干涉 布儒斯特角 引言：本实验要求综合已学过的光学知识和基本实验操作，查阅有关资料，拟定实验方案， 完成对

5、各种待测样品的折射率测定，从而对光学材料折射率的测量，在原理和方法上有更全 面的认识。加深对分光计、阿贝折射仪、迈克尔孙干涉仪等光学仪器使用方法的了解。一、最小偏向角法图 1 三棱镜中的光路图【实验原理】 由图 1 的三棱镜光路图，可以证明：.5+ Asmsin i2n = i = sin rAism 2其中A是三棱镜的顶角，.是出射光在时的最小偏向角。min1 2由上式可见，只要测得三棱镜的顶角A和对钠黄光的最小偏向 角& .，便可间接测出对该波长的光的折射率n。min【实验步骤】1. 调节分光计到使用状态，打开汞灯照明平行光管，找到折射光谱2. 对准某条谱线，转动游标盘和望远镜跟踪此谱线，

6、当其不再继续移动而反向移动时，记录游标盘读数e 、e 23. 测定入射光方向，将望远镜对准平行光管，使分划板十字竖线对准狭缝中央，读出 此时两游标的读数e 2，则最小偏向角& .为：12min5=丄 -6 丿+ -6 切m.n 211224. 重复测量，求平均值5. 由公式可求出三棱镜对钠光的折射率汞谱线波长/n测量序号出射光方位读数A 1A 9入射光方位读数a 1a 95= 1Io 一0+ Io-0 - hmin2 112213582178130338123385424404.6623574717756303241232254293358261782530421241542413584217

7、84230426124265416404.78235743177483033812338548335645178453022812228541713585178430443124425322435.84235743177423042212422532133575017750304301242853211357131771230591258524496.03235612176113041012410522335718177183051012595291356431764230528125265116546.072355181751830501250511833572117721305312635

8、11813571177830651264510576.96235540175393044412443505633562517624305301253050551356591770306412635056579.07235641176413054712546505533562417624305311253050546 min542654145321525511750575055n1.68141.67961.67111.65891.6511.64781.6474二、掠入射法【实验原理】如下图所示，用单色面扩展光源（钠光灯前加一块毛玻璃）照射到棱镜AB面上。当扩展光源出射的光线从各个方向射向 AB

9、面时，以 90入射的光线 I 的内折射角最大为 i ；入射c角小于90的，折射角必小于i ；大于90的入射光线不能进入棱镜。这样，在AC面用c望远镜观察时，将出现半明半暗的视场。明暗视场的交线就是入射角为=90的光线的出射方向。相应的计算公式：:cos A + sin i、4n 飞(sin A 1min)2 +1其中i是申角极值。1min【实验步骤】1调节分光计和三棱镜到使用状态2在钠光灯前放置一块毛玻璃，照射折射面AB,转动望远 镜，可观察到视场中间有明显的明暗分界线，记下此时游 标盘的读数ee 23.转动望远镜测出ac面法线位置e、e 2【实验数据】e 1e 2e 1e 2申 平均1275

10、 35236 2095 4156 2139 182275 41236 1895 3656 1839 2139 213275 41236 1895 4256 1939 23图1掠入射法原理示意计算得，n=1.52三、偏振法 【实验原理】 光是一种电磁波，电磁波是横波。通常光源发出的光，它的 振动面不只限于一个固定方向而是在各个方向上均匀分布 的。这种光叫做自然光。 光的振动面只限于某一固定方向的， 叫做平面偏振光或线偏振光。使用起偏器可以把自然光变为偏 振光，当偏振光平行于检偏器的偏振方向时，才能通过检偏器， 当偏振光偏振方向与检偏器方向垂直时，光线不能通过。布儒斯特定律：当入射光以匚入射角入射

11、时则反射光为垂直入射面振动的完全偏振光。iRBB称布儒斯特角，其满足：t ntan = 2 Bn1【实验步骤】1调节分光计到使用状态2将待测平面玻璃板至于载物台上，调节载物台的倾斜度，使玻璃板的法线与分光计主轴垂 直3用钠光灯照亮平行光管，使平行光管出射的光束射到玻璃板上，转动载物台以改变入射角， 转动望远镜使反射光进入望远镜筒。将检偏器套在物镜前，让检偏器透振方向垂直入射面， 观察狭缝像，旋转 90，狭缝变暗。调节望远镜改变入射角，同时转动检偏器，使目镜视 场中完全消光。此时的入射角即为布儒斯特角i。用叉丝竖线对准此时反射光的方向，记录B分光计的读数e广e 24转动望远镜，使其正对平行光管，

12、测出入射光的方位角e、e 2，则望远镜转过的角度为 丄右-6丿+ -6切2 1 1 2 2入射角为=（180申）B25.重复三次测量，求 i 的平均值，计算玻璃的折射率 B实验数据】位置1位置29e 1e 2e 1e 2140 42220 40335 28155 2565 15257 32237 29335 20155 1666 13342 25222 22335 30155 2866 55440 27220 24335 33155 3064 54544 45224 44335 32155 3069 14实际计算时我们用的公式是9二2血+360叫）+2弋）9 的平均值0 = 6650, i =

13、 5635 , n = tan i = 1.52BB四、全反射法【实验原理】两面分别为毛面与光面的厚为b的平行板。激光由毛面垂直入射。在毛面上某一范围内由于 反射回来的光线很弱而形成圆形暗斑。暗斑直径为d。折射率n与暗斑直径有如下关系：1 +16b 2d 2【实验步骤】1. 将猜测玻璃砖置于分光计载物台上，调整激光的出射光与水平面基本平行且垂直于玻璃砖 平面2. 在激光器和砖间加一个凸透镜3观察到玻璃平面上有一圆形暗斑，用游标卡尺测出其半径r4用游标卡尺测出玻璃砖的厚度b【实验数据】12345平均r (cm)1.9021.8461.9521.9522.0061.9316d=2r(cm)3.80

14、43.6923.9043.9044.0123.8632b (cm)1.1041.1001.1021.1001.0981.101n=1.52五、位移法【实验原理】激光束以角i入射到平板上表面，入射点为O,反射管线为O,折射光经下表面反射后的光 线为O,光线O、O平行，两光线的垂直距离为a,则有下列关系式成立【实验步骤】1.将待测玻璃块平放于分光计载物台上，调整分光计载物台的高度，使激光器出射的光线能 打到玻璃砖上，调节激光、载物台与水平面基本平行2.固定刻度盘，转动游标盘，调节载物台高度，观察到玻璃砖反射回的光线正好打在出射光孔处，记录此时游标盘位置ee 23转动一定角度，记录此时游标盘的位置e

15、卜e 24在此位置下，用激光器作光屏，用游标卡尺测出两光点的距离b5用游标卡尺测量玻璃砖的厚度d6重复步骤2-5，测量三组数据。【实验数据】位置1位置2b / mmid / cmb / mmnne 1e 2e ie 244 22z224 2851 21231 265.56 593.4265.3371.551.5544 18224 2551 48231 536.367 293.4246.1441.4544 3224 1250 0230 04.325 533.4284.231.65n 1.55六、阿贝折射仪【实验原理】 阿贝折射仪中的阿贝棱镜组由两个直角棱镜(折 射率为n)组成，一个是进光棱镜，它

16、的弦面是 磨砂的，其作用是形成均匀的扩展光源。另一个 是折射棱镜。待测液体(n n)夹在两棱镜的弦x面之间，形成薄膜。光先射入进光棱镜，由其磨 砂弦面产生漫射光穿过液层进入折射棱镜，在镜 筒中可以看到明暗分界线。阿贝折射仪直接标出 了相应角度对应的折射率值，测量时只要使明暗分界线与望远镜叉丝交点对准，就可从读数 装置上直接读出 nx【实验步骤】1.打开棱镜组，用无水酒精将棱镜组擦洗干净2.开动恒温水浴，使棱镜组达到测量时所需的温度 3加一滴待测液体在进光棱镜的磨砂面上，合拢锁紧棱镜组 4.白炽灯照明，调节反光镜，使望远镜和读数目镜视场明亮 5.旋转棱镜和手轮，在视场中可看到明暗分界线上下移动，

17、转动阿米西棱镜手轮，视场中只 有黑白色。将分界线对准十字叉丝交点，记下此时的读数6. 测出二种不同液体在不同温度下的折射率 【实验数据】甘油石蜡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石蜡：甘油：七、迈克尔逊干涉仪【实验原理】用分振幅法产生双光束以实现干涉。通过调整该干涉仪，可以产生等厚干涉条纹，也可以产生等倾干涉条纹。主要用于长度和折射率的测量，若观察到干涉条纹移动一条，

18、便是M2的 动臂移动量为彳2，等效于Ml与M2之间的空气膜厚度改变2。而玻璃的折射率与空气 不同(偏大)故当插入玻璃片时，使得光程增加，也就是产生了相移，所以通过测量光程差 既可以测出玻璃的折射率。计算式：Ad n =+1S【实验步骤】1. 先将迈克尔孙干涉仪调出白光干涉条纹，记下此时Ml镜的读数d12. 将待测样品放入M2镜与补偿板G之间，再次调出白光干涉条纹，记下这是Ml镜的读数d23. 重复1-2，测量4组数据，并计算出折射率。【实验数据】d / mm1d / mm 22Ad / mmAd / mm155.742855.91560.17280.1754255.742255.91420.1

19、702355.743355.92210.1788455.740555.92490.1799S=0.4mmn=1.44【实验综合分析】1. 调节分光计时一定要严格按照分光计的调节步骤来操作，因为只有很好地将 分光计调节至使用状态，接下来的实验才能够顺利地进行。2. 用最小偏向角测量折射率的实验中，在测量入射光的方位时，每一次都要重 新测量，因为每次测量时它们的入射光方位不一定相同。3. 在使用位移法测量折射率的实验中需要注意的是光屏上测得的 长度值并不是a，而是b，它们之间的关系为a = b sin(90 - 2i)o4. 在用阿贝尔折射仪测量折射率的实验中，在实验前需要用酒精棉花清洗棱镜 组，待酒精干后再加入待测液体；当恒温器达到需要测量的温度时，还需要 等温度稳定一段时间后方可进行测量。5. 再用干涉法测量折射率的实验中，应设法确定白光零级条纹在视场中的位 置，时第二次白光零级条纹也处于该位置。6. 同一种光学材料，用不同的方法测得的折射率基本相同。不同波长的光的折 射率不同。液体折射率随着温度的升高而降低。参考文献】周殿清主编，基础物理实验，科学出版社.2009