基于分光计的系列实验

由于分光计对角度的高精度测量，因此我们可以利用分光计进行一些光学角度的测量。利用分光计可以测定透明玻璃样品的折射率，验证柯西公式等等。 表面等离子共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）是一种物理光学现象。光在棱镜与金属膜表面上发生全反射时，形成倏逝波进入到光疏介质中，从而激发金属表面产生表面等离子体子波。在入射角或波长为某一适当值的条件下, 表面等离子体子波与倏逝波的频率和波数相等时, 两者之间将发生共振, 入射光被吸收, 使反射光能量急剧下降, 在反射光谱上出现共振吸收峰，即发生了表面等离子体共振现象，该入射角度称为SPR共振角，实验上我们也可以利用分光计测量出等离子体共振角。

实验的目的、意义和要求

  1. 学会分光计的调节与使用；
  2. 掌握什么是倏逝波，什么是SPR；
  3. 理解现有的光路设计思想；
  4. 分析讨论共振角与折射率的关系。

实验前的思考

关于原理

  1. 什么是最小偏向角法？
  2. 媒质的折射率与真空中入射光的波长的关系是什么？请写出柯西色散公式
  3. 什么是表面等离子体共振（SPR）？
  4. 什么是倏逝波？

关于实验

  1. 实验上是如何避免偏心差的。
  2. 实验上如何根据理论光路图，快速找到光谱线？
  3. 实验上用的小单色仪，如何快速半定量的估计其分辨率？
  4. 表面等离子体共振的样品设计成了圆柱形，这有什么好处？
  5. 想发生等离子体共振，对光源有什么要求吗？

实验后的拓展思考

  • 你能设计其它的实验方案测量三棱镜折射率吗？
  • 请问金属薄膜的厚度对等离子共振有什么影响？
  • 你如何理解金属的介电常数为复数，其是实部和虚部代表什么物理意义？

实验室可提供的主要器材

分光计、汞灯、重火石玻璃ZF1三棱镜、半反镜、毛玻璃、半导体激光器、探测器、镀金圆柱棱镜、小单色仪

实验内容

  1. 学习使用分光计并利用最小偏向角法测量三棱镜的折射率(第一周）
  2. 利用小单色仪和分光计验证柯西色散公式 （第二周）
  3. 测量介质为空气时金膜的共振角 （第三周）

实验注意事项

  1. 小单色仪用汞灯的线状光谱定标（注意螺距误差,单方向转鼓轮）
  2. 小单色仪的光谱范围选择450-650 nm 每隔20nm 测量一次最小偏向角。
  3. 调节样品台同轴，出射激光打到顶针上
  4. SPR样品不要用手触摸光学面和金膜
  5. 发生共振需要P偏振光，将偏振片的指针调节为水平方向
  6. 共振角大约在42-44范围

实验报告的要求

  1. 简要叙述本实验的基本原理。
  2. 记录实验中出现的各种实验现象，对其进行分析、讨论。
  3. 实验数据的处理，及对结果的分析、讨论。

参考资料

  1. 分光计的调整讲解
  2. 分光计的调节讲义
  3. 贾玉润 等主编，大学物理实验，复旦大学出版社，1988年
  4. 常见介质折射率http://www.360yiqi.com/hot/reflect.htm
  5. 一个折射率的数据库http://refractiveindex.info/
  6. 实验说明书
  7. electromagnetic theory of surface plasmons
  8. electromagnetic theory of surface plasmons-1941-fano
  9. radiative_decay_of_non_radiative_surface_plasmons_excited_by_light
  10. excitation_of_nonradiative_surface_plasma_wavesin Silver by the Method of Frustrated Total Reflection

《大学物理实验数字化教程》-机械工业出版社这一书中的视频讲解 分光计的使用

讨论区

想问问大家有没有注意到酒精溶液的共振曲线里，40°左右也有一个小吸收峰呢？我测量了两组酒精溶液的数据，在接近40°位置仪器的显示数值都有下降几十。直觉觉得不是激光器能量波动等均匀误差造成的。 — 王思阳 2014/04/13 23:33
我有在测量蒸馏水的过程中测量到一次44度左右，下降幅度也约为0.1左右的小吸收峰，具体原因仍未理解。 — 王铨康 2015/04/7 0:50
我在模拟溶液浓度与共振角关系的时候，发现在我们测得棱镜折射率为1.651的情况下，一旦电介质折射率高于1.32左右的一个值，就无法用文献中的公式计算。sin值超出1了。但在其他人的文献中明显有1.33以上的介质（Nacl溶液的折射率也在1.33以上）且得到角度为70多度。是不是高于一定折射率的介质就不能用那个公式了呢？ — 王铨康 2015/04/7 2：45
做SPR的圆柱棱镜的折射率与第一次测的三棱镜的折射率不同，SPR的圆柱棱镜是K9玻璃折射率是1.515 — 白翠琴 2015/04/07 13:39
OMG…我貌似介电常数也用的1.65.. — 王铨康 2015/04/12 19：30
实验原理简述中第一部分第一点似乎应为“什么是最小偏向角法” — 吴迪 2017/02/28 13:40
实验仪器里面的半透镜是不是可以当作双面反射镜使用？——刘畅 2017/04/25 20:40
同学们注意，分光计中央的载物台（那块黑不拉几的金属圆饼）尽量不要转动，可能会让它周围起调平作用的螺丝卡进它上面的洞里。尤其要避免逆时针转动，会把它拧下来。— 陈霁 2025/03/31 14:59
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  • 最后更改: 2025/03/31 15:00
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