光学材料折射率的测定

光学材料折射率的测定Summary：Refractiveindexisoneoftheimportantparametersofopticalmaterials,whichoftenneedstobemeasuredinscientificresearchandproductionpractice.Themethodofmeasuringtherefractiveindexcanbedividedintotwocategories:oneistheapplicationofrefractiveindexandreflection,totalreflectionlaw,throughtheaccuratemeasurementoftheangleoftherefractiveindexofthegeometricopticsmethod,suchastheminimumdeviationanglemethod,grazingincidencemethod,totalreflectionmethodanddisplacementmethod,etc.Anotherkindisthelightpassedthemedium(orbyadielectricreflection)andthepolarizationstatechangesofthephasechangeofthetransmittedlightorreflectedlight)andrefractionrateiscloselyrelatedtotheprincipletomeasuretherefractiveindexofthephysicalopticsmethod,suchasclothBrewsteranglemethod,interferometry,ellipsometryetc..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【实验原理】由图1的三棱镜光路图，可以证明：2sin2sinsinsinmin11AArin其中A是三棱镜的顶角，δmin是出射光在i1=i2时的最小偏向角。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δmin，便可间接测出对该波长的光的折射率n。【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，当其不再继续移动而反向移动时，记录游标盘读数θ1、θ23.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θ1'、θ2'，则最小偏向角δmin为：'2122'11min4.重复测量，求平均值图1三棱镜中的光路图5.由公式可求出三棱镜对钠光的折射率θ1θ2θ1'θ2'1358°2178°1303°38123°382357°47177°56303°24123°223358°26178°25304°2124°11358°42178°42304°26124°262357°43177°48303°38123°383356°45178°45302°28122°281358°5178°4304°43124°422357°43177°42304°22124°223357°50177°50304°30124°281357°13177°12305°9125°82356°12176°11304°10124°103357°18177°18305°10125°91356°43176°42305°28125°262355°18175°18305°0125°03357°21177°21305°3126°31357°1177°8306°5126°42355°40175°39304°44124°433356°25176°24305°30125°301356°59177°0306°4126°32356°41176°41305°47125°463356°24176°24305°31125°30测量序号出射光方位读数入射光方位读数404.66404.78435.84496.03汞谱线波长/nm546.07576.96579.0754°24′54°29′54°24′54°16′54°8′54°17′53°22′53°21′53°21′52°4′52°2′52°9′51°16′50°56′50°55′50°54′54°26′54°14′53°21′52°5′51°17′50°57′51°18′51°18′51°0′50°56′50°55′50°55′1.6511.64781.6474n1.68141.67961.67111.6589δminmin112212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面时，以90°入射的光线I的内折射角最大为ci；入射角小于90°的，折射角必小于ci；大于90°的入射光线不能进入棱镜。这样，在AC面用望远镜观察时，将出现半明半暗的视场。明暗视场的交线就是入射角为1i=90°的光线的出射方向。1.6451.651.6551.661.6651.671.6751.681.6850100200300400500600700n相应的计算公式：'21mincossin()1sinAinA其中'1mini是角极值。【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θ1、θ23.转动望远镜测出AC面法线位置θ1'、θ2'【实验数据】θ1θ2θ1'θ2'平均1275°35′236°20′95°41′56°21′39°18′39°21′2275°41′236°18′95°36′56°18′39°21′3275°41′236°18′95°42′56°19′39°23′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iＢ入射角入射时则反射光为垂直入射面振动的完全偏振光。iＢ称布儒斯特角，其满足：21tanBnin【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iＢ。用叉丝竖线对准此时反射光的方向，记录分光计的读数θ1、θ24.转动望远镜，使其正对平行光管，测出入射光的方位角θ1'、θ2'，则望远镜转过的角度为'2122'11入射角为1801(2)Bi5.重复三次测量，求Bi的平均值，计算玻璃的折射率【实验数据】位置1位置2θ1θ2θ1'θ2'140°42′220°40′335°28′155°25′65°15′257°32′237°29′335°20′155°16′66°13′342°25′222°22′335°30′155°28′66°55′440°27′220°24′335°33′155°30′64°54′544°45′224°44′335°32′155°30′69°14′实际计算时我们用的公式是'11221360'2的平均值6650，6355Bi，tan1.52Bni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：22161dbn【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)3.8043.6923.9043.9044.0123.8632b（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iadin222cos41sin其中sin(902)abi【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θ1、θ23.转动一定角度，记录此时游标盘的位置θ1'、θ2'4.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2/bmmi/dcm/bmmnnθ1θ2θ1'θ2'44°22′224°28′51°21′231°26′5.56°59′3.4265.3371.551.5544°18′224°25′51°48′231°53′6.367°29′3.4246.1441.4544°3′224°12′50°0′230°0′4.325°53′3.4284.231.651.55n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(xnn)夹在两棱镜的弦面之间，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xn【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，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（℃）nT（℃）n15.31.466410.51.476520.61.465516.0