基于迈克尔逊干涉仪测液体折光度实验改进方法

翟志涛+曹林+向尚

摘 要 本文提出了一种新的方法和思路去测量液体以及透光固体的折射率的一种方法，应用迈克尔逊干涉仪，以及比色皿等实验装置，通过光敏传感器自动测量迈克尔逊试验仪上光圈的吞吐数目，其次将得到的数据输入进Labview虚拟程序框图中，达到自动化测量液体的折射率的一种新方法。本文从测量的原理和方案操作角度进行了详细的说明，并且做了相关的实验操作获得了大量的有效的数据。本文也对这些相关数据进行了合理的分析，提出了新型测量方案的优势和缺陷。同时结合实际情况，我们对测量方案的前景提出了一些可行的观点和猜想。

关键词 折射率；Labview虚拟器；迈克尔逊干涉仪；比色皿；液体；光敏探头；计数器

中图分类号 O5 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）08-0024-03

折射率对于大家来说已然不是陌生，但是它的应用范围之广大家却不知道，它既可以通过液态食品的折射率的测量来鉴别食品的组成，也可以通过侧利郎某液体的折射率来确定其浓度判断其纯度和品质等等。测量折射率不管在食品行业还是化学以及工业上都有很重要的应用，如果方便快捷的测量物体的折射率也成为了研究的重点和核心。本文提出了一种基于迈克尔逊干涉仪测量液体折射率的一种改进方案，使得其方法更加快捷和灵敏准确，希望能和大家一起探讨研究。

1 研究背景及其发展

迈克尔逊干涉仪是利用分振幅产生双光束进而发生干涉现象可以产生等厚干涉条纹也可以产生等倾干涉条纹，在近代物理和近代计量测试技术中心有着重要的应用。传统的折射率测量方法有很多，在近代工业和理学中常用的几种方法有全反射法、劈尖干涉法、阿贝折射仪测量法还有利用最小偏向角测量的方法等等。其中属于比较实验的有最小偏角法和全反射法，所以两者的测量条件是能够提前知道标准样品的折射率，还需要折射液来使得标准液和被测物体表面能够充分的接触，测量范围受到了很大的限制，应用范围也相对来说较窄。最小偏向角法的缺点在于实验的测量过程十分的繁琐，实验步骤复杂，所以应用范围也不是很大。

本文提出的测量方法的改进不需要标准样品和折射液，实验仪器简单，主要基于迈克尔逊干涉仪，测量方法也十分简单适用性很强，从光学材料到透光液体和透光气体，均可实现折射率的自动测量。

2 实验原理

2.1 基本原理

实验装置如图1所示，在补偿镜和可移动的反光镜中间加上一个两面透光的比色皿，再在比色皿的垂直断面的表面上加一个指针，将比色皿放在一个转盘上？即可。

实验中缓缓地转动转盘到一定的角度，带动了比色皿的转动，所以光线通过比色皿的路程发生了改变。根据迈克尔逊干涉仪的实验原理，干涉条纹的变化数目正可以表示光程的变化。之后加入待测液体，在相同旋动角度下测量干涉条纹变化数目（待测液体和比色皿对于光程改变都有贡献）。

根据几何光学原理可以看出，在转动相同情况的角度下，光线与比色皿面的夹角始终不变。因此在转动相同的角度的情况下比色皿壁厚所引起的光程差的变化是一致的（转动相同角度的情况下路径是平行的），这和承载的液体没有任何关系。

2.3 光敏计数器原理

我们知道光敏电阻的阻值是跟随着光强而变化的，迈克尔逊干涉仪所形成的干涉条纹光强也是强弱相间的，所以讲光信号应该呈现的是周期性分布，通过电路的设计捕捉其波峰出现的次数我们就能准确的测量其干涉条纹的变化数目。

3 实验装置介绍

3.1 实验仪器名称

迈克尔逊干涉仪、比色皿（两支）、待测液体、刻度指针转盘、Labview虚拟机（软件）、光敏探头、激光传感器、计数器、铁架台。

3.2 实验仪器搭建

实验仪器搭建如图2所示。

3.3 Labview虚拟端口的程序设计

Labview面板板程序框图设计如图3所示。

4 实验步骤介绍

1）打开光敏计数器电源，并用铁架台固定光敏计数器探头。

2）打开迈克尔逊干涉仪实验装置的电源，调节光路使其出现明亮的干涉条纹，随后把指针和比色皿一起放置于補偿镜与可移动反光镜之间的一个合适的位置。

3）调整激光的光线与比色皿器的壁面垂直，使得指针对准刻度盘的0刻度线，调节迈克尔逊干涉仪使之出现明亮清晰的干涉条纹。

4）调节光敏计数器探头的位置，使之正对干涉条纹中心，然后取下光屏，旋动微调旋钮观察计数器读数是否发生变化，确认无误后按下计数器“重置”按钮，实验准备完毕。

5）从0开始缓慢转动指针到θ1，同时观察光敏计数器上的读数变化，最后读取在θ范围内干涉条纹变化数目D1。

6）在比色皿内加入待量的透光液体，重复实验步骤3、4、5测量得到的干涉条纹数目记为D2。

7）重复5、6步8次，结果取平均值。

8）测量比色皿内壁厚度L。

9）将所得到的数据输入Labview程序中，并且记录运行结果。

10）关闭电源，整理实验仪器。

5 实验数据处理分析

5.1 实验数据整理

为避免转动角度过小而引起角度测量的误差过大，亦不可选取过小的测量角度，实验中经过多角度多次测量发现θ在为5°时的测量结果相对准确。

在θ=5°时，水的折射率测量数据如表1所示：

相关常数：n0？=1.333，L=10mm。

在θ=5°时，无水乙醇的折射率测量数据如表2所示：

相关常数：n0=1.361，L=10mm。

5.2 实验结果分析

由以上数据可以肯定，基于迈克尔逊干涉仪测量透明液体折射率的方案可行有效。但是在测量无水乙醇时因为浓度的不确定性以及实验室提供的光敏计数器只能整数计数，所以有了较小的误差，我们相信如果能使用更高精度的光敏计数器来进行条纹计数，该方法的精度完全能达到10-4左右甚至更高。

5.3 与传统实验方法的比较

近代物理学最常用的测量方法是阿贝折射仪法测量，優点是测量精度高，但是阿贝折射仪的结构复杂，实验仪器昂贵并且阿贝折射仪适用范围有限。相比较而言我们实验的方法操作简单，实验仪器易搜寻，在精度允许的情况下更加的快捷方便。

6 实验创新点

1）应用了新型的基于迈克尔逊等倾干涉法的测量原理，使得测量的结果更加可靠可信。

2）测量方法简单，易于操作且精确度高可以满足一般测量要求。

3）实验采用光敏计数器进行干涉条纹数目的测量，减轻了实验者的视觉疲劳和实验的强度。大大节省了实验的时间，使得实验更加快捷方便。

4）在电脑终端进行Labview虚拟机的编程，自动求得最终的折射率，省去了大量的计算额度和时间。

参考文献

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