可調節角度組件及測量波長工具的制作方法

本實用新型涉及光波波長測量的技術領域，尤其是涉及一種可調節角度組件及測量波長工具。

背景技術：

分光計測量光波波長是一個物理實驗，其目的是為了了解衍射光柵的特點及其在光譜儀器中的應用和學會分光光度計的調整與使用，原理是當一束平行光垂直入射到光柵上，產生一組明暗相間的衍射條紋，如圖1所示，其夫朗和費衍射主極大由下式決定：d＊sinΦ＝mλ。只要測出任意級次的某一條光譜線的衍射角，即可計算出該光波的波長。

式中：

d：光柵常數；d＝a+b；Φ：衍射角；m：主極大級次；m＝0，1，…

其中，光柵常數d＝a+b指相鄰兩個光柵縫的間距，a指光柵縫的縫寬，b指光柵不透明的寬度。

圖2為分光計的示意圖，包括平行光管1’，用于產生平行光；望遠鏡2’，用于接收衍射光；刻度盤3’，用于讀取角度值；載物臺4’，用于放置光柵；光源，鈉光5’。

然而，分光計及實驗所用衍射光柵在日常生活中很難找到，從而不方便做測光波的波長實驗；在進行測波長實驗時需要多次調節入射光線及衍射光線的角度，從而給實驗帶來了調節困難；分光計作為測光學量的精密光學儀器，增加了測波長的實驗投入經費，并且提高了進行測光波的波長實驗的條件。

基于以上技術問題，提出一種便于調節角度以及使測光波的波長實驗更加容易進行的器具顯得尤為關鍵。

技術實現要素：

本實用新型提出了一種可調節角度組件，有效解決了測波長過程中多次調節入射光線及衍射光線角度的困難，使角度的調節更加容易。

本實用新型提出了一種測量波長工具，打破了測光學量就必須用精密光學儀器的局限，從而降低了光柵衍射實驗條件，使得光波的波長測量起來更加方便，而且降低了實驗投入經費。

本實用新型提供的一種光柵衍射實驗器具包括支撐結構、第一連接臂和第二連接臂；

所述支撐結構包括底座、轉軸和刻度盤，所述轉軸固定安裝在所述底座上；所述第一連接臂的一端與所述第二連接臂的一端均能夠套設在所述轉軸上，并能夠圍繞所述轉軸旋轉；所述刻度盤設置在所述轉軸上，使得所述第一連接臂與所述第二連接臂設置在所述刻度盤與所述底座之間。

進一步的，所述轉軸的底端設置有法蘭結構，所述法蘭結構與所述底座之間通過螺釘連接；所述轉軸的頂端與所述刻度盤之間采用過盈配合連接。

進一步的，所述第一連接臂的一端及所述第二連接臂的一端與所述轉軸之間均通過軸承連接，使所述第一連接臂與所述第二連接臂能夠圍繞所述轉軸旋轉。

進一步的，所述第一連接臂與所述第二連接臂上均設置有用于支撐兩者的支撐柱，且所述支撐柱與兩者之間通過螺釘固定連接。

本實用新型提供的一種測量波長工具包括可調節角度組件以及光源、屏幕光柵和光屏；

所述光源固定安裝在靠近所述第一連接臂自由端的位置處，所述光屏固定安裝在靠近所述第二連接臂自由端的位置處，所述屏幕光柵設置在所述刻度盤上；

所述光源的光線能夠入射到所述屏幕光柵上，并能夠將光線衍射到所述光屏上。

進一步的，所述屏幕光柵具體為手機屏幕光柵。

進一步的，所述光屏與所述第二連接臂之間設置有第三連接臂，且所述第三連接臂的一端安裝在所述第二連接臂的自由端，所述第三連接臂的另一端固定安裝所述光屏。

進一步的，所述第三連接臂與所述第二連接臂之間，以及所述第三連接臂與所述光屏之間均通過螺紋連接，使所述第三連接臂及所述光屏相對于所述第二連接臂固定不動。

進一步的，所述刻度盤上設置有第一固定件，且所述屏幕光柵能夠固定安裝在所述第一固定件上。

進一步的，靠近所述第一連接臂的自由端的位置處設置有第二固定件，且所述光源能夠固定安裝在所述第二固定件中。

本實用新型提供的一種可調節角度組件包括支撐結構、第一連接臂和第二連接臂；其中，支撐結構包括底座、轉軸和刻度盤，第一連接臂與第二連接臂的一端均能夠套設在轉軸上，并能夠圍繞轉軸旋轉，當第一連接臂與第二連接臂轉動一定距離時，在兩者的當前位置畫上記號，然后通過刻度盤讀出兩者的當前位置與初始位置之間的弧長，然后計算出各自當前位置與初始位置之間的夾角；當需要設置多個角度時，也可以通過可調節角度組件來完成，由于后續的測光波波長實驗需要設置多組不同的角度，從而使該實驗更容易進行，有效緩解了實驗過程中多次調節入射光線及衍射光線角度帶來的困難。

本實用新型提供的一種測量波長工具包括可調節角度組件以及光源、屏幕光柵和光屏，且光源、屏幕光柵和光屏均設置在可調節角度組件上，初始時，第一連接臂與第二連接臂共線布置，且兩者均與屏幕光柵的法線方向垂直，即光線掠入射，使得光線能夠垂直入射在光屏上，并記錄方向；然后，緩慢轉動第一連接臂和第二連接臂，即改變光線入射方向和光屏的角度，當光屏上第一次出現清晰的圖像時，停止轉動，并記錄下光線入射方向；再緩慢轉動第一連接臂和第二連接臂，當光屏上再次出現清晰的圖像時，停止轉動并記錄下光線入射方向；多次重復上述過程，直到光屏上的圖像不再明顯；根據上述步驟，可以得到相鄰兩次最清晰的圖像，即衍射效果最好的兩個光線入射的方向。

本實用新型提供的一種測量波長工具，改變了測量光學量就必須使用精密儀器的現象，從而降低了光柵衍射實驗條件，使光學量測量工具不再有所局限，進而使得光波的波長測量起來更加方便，而且由于屏幕光柵較為常見，降低了實驗投入經費。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型具體實施方式或現有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本實用新型的一些實施方式，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為光波衍射原理的示意圖；

圖2為現有技術中分光計的示意圖；

圖3為本實用新型實施例提供的一種可調節角度組件初始狀態的示意圖；

圖4為本實用新型實施例提供的一種可調節角度組件調節角度后狀態的示意圖；

圖5為圖3或圖4所示的可調節角度組件中支撐結構的示意圖；

圖6為圖3或圖4所示的可調節角度組件中第一連接臂、第二連接臂與轉軸連接關系的示意圖；

圖7為本實用新型實施例提供的一種測量波長工具的示意圖；

圖8為測量波長工具進行測波長實驗結果的matlab擬合曲線圖。

圖標：1’－載物臺；2’－刻度；3’－平行光管；4’－狹縫；5’－鈉光；100－支撐結構；101－底座；102－轉軸；1021－法蘭結構；103－刻度盤；104－第一固定件；105－軸承；110－第一連接臂；120－第二連接臂；130－第三連接臂；140－支撐柱；150－第二固定件；160－光源；170－屏幕光柵；180－光屏。

具體實施方式

下面將結合附圖對本實用新型的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

在本實用新型的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本實用新型的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。

下面通過具體的實施例子并結合附圖對本實用新型做進一步的詳細描述。

具體結構如圖3－圖7所示。圖3為本實用新型實施例提供的一種可調節角度組件初始狀態的示意圖；圖4為本實用新型實施例提供的一種可調節角度組件調節角度后狀態的示意圖；圖5為圖3或圖4所示的可調節角度組件中支撐結構的示意圖；圖6為圖3或圖4所示的可調節角度組件中第一連接臂、第二連接臂與轉軸連接關系的示意圖；圖7為本實用新型實施例提供的一種測量波長工具的示意圖。

本實施例提供的一種可調節角度組件包括支撐結構100、第一連接臂110和第二連接臂120；其中，支撐結構100包括底座101、轉軸102和刻度盤103，且轉軸102固定安裝在底座101上；第一連接臂110的一端與第二連接臂120的一端均能夠套設在轉軸102上，并能夠圍繞轉軸102旋轉；刻度盤103設置在轉軸102上，使得第一連接臂110與第二連接臂120設置在刻度盤103與底座101之間。

具體的，在第一連接臂110和第二連接臂120的一端均設置有通孔，使得第一連接臂110與第二連接臂120均能夠套設在轉軸102上，而且能夠圍繞轉軸102旋轉，以達到調節角度的目的；刻度盤103的底端設置有凹槽結構，該凹槽結構能夠套設在轉軸102的頂端，且通過刻度盤103與底座101的相互配合使用，能夠將第一連接臂110與第二連接臂120夾在兩者之間，以防止在調節角度旋轉過程中沿轉軸102的軸向竄動，從而影響角度的調節精度。

另外，在第一連接臂110與第二連接臂120的自由端處均設置有安裝孔，通過安裝孔可以在第一連接臂110與第二連接臂120的自由端處安裝其他一些實驗器件；而且出于對稱與穩定的考慮，底座101采用圓形，也可以用任何上下表面都是平面的物體代替。

本實施例提供的一種可調節角度組件通過旋轉第一連接臂110及第二連接臂120，使得兩者均相對于初始位置旋轉一定弧長的距離，然后可以人為觀測第一連接臂110及第二連接臂120對應在刻度盤103上的刻度，并記錄下該刻度以得知第一連接臂110及第二連接臂120旋轉后的實際位置，由于提前知道刻度盤103直徑尺寸，因此可以根據測量的弧長以及已知的刻度盤103直徑，求得第一連接臂110及第二連接臂120的當前位置與初始位置之間的夾角，根據一些實驗的具體情況進行旋轉第一連接臂110及第二連接臂120，從而可以調節出不同的角度。如在測光波的波長實驗中，需要多次調節入射光線及衍射光線的方向，即調節入射角和衍射角，所以，通過應用可調節角度組件有效解決了角度調節繁瑣、困難的問題，使角度調節更加容易。

本實施例的可選技術方案中，轉軸102的底端設置有法蘭結構1021，且法蘭結構1021與底座101之間通過螺釘連接；轉軸102的頂端與刻度盤103之間采用過盈配合連接。

需要說明的是，為保證轉軸102能夠沿豎直方向而不產生傾斜的現象，在轉軸102的底端設置法蘭結構1021，并將法蘭結構1021固定安裝在底座101上，從而有效避免了在第一連接臂110及第二連接臂120旋轉時轉軸102產生傾斜的現象發生；為準確記錄第一連接臂110及第二連接臂120轉動的弧長距離，刻度盤103與轉軸102之間不能夠產生相對轉動，從而將刻度盤103套設在轉軸102的頂端，且兩者之間存在配合關系，考慮到刻度盤103的另一個作用是限制第一連接臂110和第二連接臂120沿轉軸102軸向的運動，因此，刻度盤103與轉軸102之間采用過盈配合連接。

本實施例的可選技術方案中，第一連接臂110的一端及第二連接臂120的一端與轉軸102之間通過軸承105連接，使得第一連接臂110與第二連接臂120能夠圍繞轉軸102旋轉；通過增設軸承105能夠減小第一連接臂110及第二連接臂120與轉軸102之間的摩擦阻力，從而使第一連接臂110與第二連接臂120更容易圍繞轉軸102旋轉，進而更有利于第一連接臂110與第二連接臂120旋轉角度的調節。

本實施例的可選技術方案中，第一連接臂110與第二連接臂120上均設置有用于支撐兩者的支撐柱140，且支撐柱140與兩者之間通過螺釘連接。

由于第一連接臂110與第二連接臂120的自由端上會安裝一些其他零部件，從而導致第一連接臂110與第二連接臂120上承受較大的彎矩，當承載較大時且承載時間較長時，很容易將一些材料的第一連接臂110與第二連接臂120壓彎，進而影響到調節角度組件的正常使用。因此，為防止第一連接臂110與第二連接臂120被壓彎而影響使用，在兩者的下端均安裝有支撐柱140，且支撐柱140的底端與底座101的底端相持平，從而保證了調節角度組件在使用過程中的穩定性。

本實施例提供的一種測量波長工具包括可調節角度組件，還包括光源160、屏幕光柵170和光屏180；其中，光源160固定安裝在靠近第一連接臂110自由端的位置處，光屏180固定安裝在靠近第二連接臂120自由端的位置處，屏幕光柵170設置在刻度盤103上；光源160的光線能夠入射到屏幕光柵170上，并能夠將光線衍射到光屏180上。

具體的，將屏幕光柵170固定在支撐結構100中的刻度盤103上，并將光源160和光屏180分別固定安裝在屏幕光柵170的兩側，以達到通過屏幕光柵170將光源160的光線衍射在光屏180上；起初，光源160、屏幕光柵170及光屏180在同一條直線上，且光源160的入射光線垂直于屏幕光柵170的法線以及光屏180的正面，此時，光源160的入射光線未經過屏幕光柵170的衍射而直接打在光屏180上；然后緩慢旋轉第一連接臂110和第二連接臂120，即調節入射光線方向與光屏180的角度，并使出射光線始終與光屏180的正面垂直，當光屏180上第一次出現清晰的圖像時停止旋轉，并在入射光線方向上劃線，以記錄入射方向；然后繼續旋轉第一連接臂110和第二連接臂120，調節兩者的旋轉角度，當光屏180上再次出現清晰的圖像時停止旋轉，并再次在入射光線方向上劃線，以記錄入射方向；多次重復上述過程，直到光屏180上圖像的變化不再明顯；根據上述步驟，可以得到相鄰兩次最清晰的圖像，即得到衍射效果最好的兩個光線入射方向，最后根據波長計算公式并通過多次實驗數據計算出波長。

通過該種測量波長工具改變了使用精密儀器進行實驗，降低了光柵衍射實驗條件，從而使得測波長實驗更容易進行，而且屏幕光柵170較為常見，有效降低了實驗投入經費。

進一步的，屏幕光柵170包括很多種類，生活中常見的包括手機屏幕光柵、平板電腦屏幕光柵，還有一些常見的LED屏幕等，考慮到使用方便，隨身攜帶等因素，優選地，本實施例中的屏幕光柵170具體為手機屏幕光柵。

本實施例的可選技術方案中，光屏180與第二連接臂120之間設置有第三連接臂130，且第三連接臂130的一端安裝在第二連接臂120的自由端，第三連接臂130的另一端固定安裝光屏180。

其中，第三連接臂130可以設置成可伸縮的形式，用于調節光屏180的高度，由于屏幕光柵170的種類、尺寸不一，在進行光柵實驗時需要根據具體情況選取屏幕光柵170，然后可以根據所選取光柵的種類、尺寸等調節光屏180的高度，以使得光屏180的位置更加靈活，有利于實驗的順利進行。

本實施例的可選技術方案中，第三連接臂130與第二連接臂120之間鉸接，使得第三連接臂130及光屏180能夠相對于第二連接臂120轉動。

首先將第一連接臂110及其上的光源160旋轉一定角度，即改變入射光線的角度，然后再旋轉第二連接臂120使其滿足一定條件后即在光屏180上出現清晰的圖像，為使光屏180上更容易出現清晰的圖像，旋轉第三連接臂130及光屏，使光屏180的正面與衍射光線保持垂直。

本實施例的可選技術方案中，刻度盤103上設置有第一固定件104，且屏幕光柵170能夠固定安裝在第一固定件104中，但不限于此，還可以在刻度盤103上開設凹槽，以使得屏幕光柵170能夠設置在凹槽中。

本實施例的可選技術方案中，靠近第一連接臂110的自由端的位置處設置有第二固定件150，且光源160能夠固定安裝在第二固定件150上；光源160也可以通過膠水固定在第一連接臂110的自由端處，或者用釘子等其他物體固定。

考慮到現有技術中大多采用光柵與分光計進行衍射及測波長實驗，拋去加工問題，儀器的購買對于普通人來說較為繁瑣，且適用范圍狹窄；與之相比，本實施例提供的測量波長工具中采用人們常見的手機屏幕光柵或者其他屏幕光柵代替傳統光柵進行實驗，同時，支撐結構、第一連接臂、第二連接臂、第三連接臂及支撐柱可以采用木質產品，使得材料常見易得，且產品可通過簡單加工得到；光源可以采用常見的激光筆，理論上可見光范圍內(400－700nm)的各種波長的激光筆均可進行試驗，而非僅僅是綠光激光筆，本實施例中采用波長為530nm的激光筆的原因是正常人眼對波長為555nm的電磁波最為敏感；光屏可移動以接收到衍射圖樣，也可用面積較大的固定光屏代替；刻度盤可以是在木板上粘貼一圈帶刻度的軟尺制成，或者可以采用量角器代替；這樣一來，降低了整個實驗的門檻，且使光學實驗不再局限于實驗室用，有利于激發大眾對光學實驗的興趣，進一步在簡便易行的實驗中體會科學的魅力。

現有技術采用專業的實驗設備，首先操作上有一定門檻，特別是分光計的使用，其次，儀器的成本較高，但是作為專業的實驗儀器，其精度是本實施例提供的測量波長工具無法超越的，與現有技術相比，本實施例提供測波長工具的優點是材料簡單易得，并且為常見的物品，使用這樣的材料制成產品成本低廉，易于加工，操作也大大簡化，使一個要在實驗室中使用分光計和光柵的光學實驗在普通人的家中就可以進行，雖然精度無法達到現有的實驗室技術水平，但作為向大眾的推廣產品，前景廣闊。

基于某種特定型號的手機屏幕光柵進行測波長實驗：

由光柵方程d(sinθ)＝jλ，通過入射光波的波長λ和像素點相鄰間距d的形式確定了掠射角θ符合相互增強的干涉光束的角位置。當該式滿足時，發生相長干涉，導致強度分布中產生峰值。

實驗原理：本實驗利用光的波動性，根據反射光柵的夫瑯禾費現象來測量光波的波長。已知屏幕光柵可看作理想反射光柵，液晶單元以規則的正方形二維模式排列，晶格點之間的間距d可由屏幕像素點之間的距離求出。已知屏幕參數：長(a)×寬(b)；主屏分辨率：(m)×(n)；d＝a/m＝b/n。

具體實驗過程如下：

1、入射光線與屏幕光柵法線的夾角θ初始值為90°(掠射角入射)，在此入射光線方向上劃線，以記錄初始入射方向；

2、通過轉動光源逐漸減小入射光線與屏幕光柵法線的夾角θ，并旋轉光屏，使其與出射光線保持垂直，當光屏上第一次出現清晰的圖像時，在此時入射光線方向上劃線，以記錄入射方向；

3、繼續減小入射光線與屏幕光柵法線的夾角θ，并保證光屏與出射光線垂直，指導光屏上再次出現清晰地圖像，在此時入射光線方向上劃線，以記錄入射方向；

4、重復步驟3，直到入射光線與屏幕光柵法線的夾角減小，光屏上圖像的變化不再明顯。

根據步驟2、3可以判斷相鄰兩次最清晰圖像對應的j值相差為1，由此可以通過多次的實驗數據計算出相應的j值以及波長。

實驗測量數據：(并用matlab進行豎直擬合求出光波波長)，擬合結果如圖8所示。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的范圍。