本发明实施例涉及干涉技术，尤其涉及一种毛细管干涉测量实验装置。
背景技术：
干涉现象是波动独有的特征，英国物理学家托马斯·杨在实验室里成功地观察到了光的干涉.干涉现象是两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象，干涉现象证实了光具有波动性。当多个波源发出的波在传播中，相位差在观测时间上保持恒定，叠加在一起时就会发生干涉，产生多激光光束干涉实验。
迈克尔逊干涉仪是用于长度和透明液体的折射率测量的常见装置。折射率是物质的重要光学常数之一，可借以了解该物质的光学性能、纯度和浓度等。迈克尔逊干涉仪的原理是一束入射光经过分光镜分为两束后各自被对应的平面镜反射回来，因为这两束光频率相同、振动方向相同且相位差恒定(即满足干涉条件)，所以能够发生干涉。干涉中两束光的不同光程可以通过调节干涉臂长度以及改变介质的折射率来实现，从而能够形成不同的干涉图样。当然还有其他折射率测量装置，如基于全反射原理的阿贝折射仪等，但是目前的干涉测量装置都局限在科研领域，装置比较昂贵。
技术实现要素：
本发明实施例提供一种毛细管干涉测量实验装置，能够观察到丰富的干涉图样，并且该装置成本低。
本发明第一方面提供一种毛细管干涉测量实验装置，包括：
激光器、毛细管、调整平台、电控旋转台及其控制器；
所述毛细管为中空的圆柱形，所述毛细管竖直设置在所述调整平台上；
所述调整平台固定在所述电控旋转台上，所述控制器用于控制所述电控旋转台的旋转速度和旋转角度，所述电控旋转台用于带动所述调整平台一起转动；
所述激光器用于产生激光光束，所述激光光束照射在所述毛细管上，以产生干涉现象。
可选的，所述装置还包括：电荷耦合器件线阵ccd传感器、数据采集装置和数据处理装置；
所述线阵ccd传感器固定在所述电控旋转台上，所述线阵ccd传感器随所述电控旋转台转动，所述线阵ccd传感器用于采集所述激光光束经过所述毛细管后的干涉条纹的数据；
所述数据采集装置用于将所述线阵ccd传感器采集到的所述干涉条纹的数据传输给所述数据处理装置；
所述数据处理装置用于对所述干涉条纹的数据进行分析和显示。
可选的，所述毛细管下部粘接在具有内螺纹的圆管的第一端内，所述调整平台上设置有螺丝，所述圆管的第二端与所述调整平台上的螺丝螺纹连接。
可选的，所述装置还包括底座，所述电控旋转台固定在所述底座上。
可选的，所述激光器为he-ne激光器，所述he-ne激光器与所述毛细管之间的距离大于1米，所述毛细管位于所述激光光束的中心，所述激光光束的直径大于所述毛细管的直径。
可选的，所述调整平台包括二维平移台和旋转倾斜台，所述二维平移台用于调整所述毛细管前后和左右移动，所述旋转倾斜台用于调整所述毛细管的倾斜角度。
本发明提供的毛细管干涉测量实验装置，包括激光器、毛细管、调整平台、电控旋转台及其控制器，毛细管为中空的圆柱形，毛细管竖直设置在调整平台上，调整平台固定在电控旋转台上，控制器用于控制电控旋转台的旋转速度和旋转角度，电控旋转台用于带动调整平台一起转动，激光器用于产生激光光束，激光光束照射在毛细管上，以产生干涉现象。所述装置能够观察到清晰、多样的干涉条纹，并且根据记录的干涉条纹的数据，计算毛细管内的液体的折射率、毛细管的管壁折射率、毛细管的内径和外径。并且所述装置测量简单，成本较低。
附图说明
图1为本发明实施例提供的毛细管干涉测量实验装置的结构示意图；
图2为激光通过竖直放置的毛细管后产生的干涉图样的测量结果的示意图；
图3为激光通过倾斜放置的毛细管后产生的干涉图样的测量结果的示意图。
附图标记说明：
1：毛细管；
2：调整平台；
3：电控旋转台；
4：控制器；
5：激光器电源；
6：激光器；
7：线阵ccd传感器；
8：数据采集装置；
9：数据处理装置；
10：底座。
具体实施方式
图1为本发明实施例提供的毛细管干涉测量实验装置的结构示意图，如图1所示，本实施例装置步骤：毛细管1、调整平台2、电控旋转台3、控制器4、激光器电源5和激光器6。
其中，毛细管1为中空的圆柱形，毛细管1竖直设置在调整平台2上。毛细管是内径很细的管子，通常指内径等于或小于1毫米的细管。例如，毛细管1的外径为0.4900mm-0.5100mm(毫米)，内径为0.2400mm-0.2600mm，管壁材料可以为玻璃，折射率为1.4700-1.4710。毛细管1的内径、外径和折射率可以根据实验需求进行调整。
一种实现方式中，毛细管1下部粘接在具有内螺纹的圆管的第一端内，调整平台2上设置有螺丝，圆管的第二端与调整平台2上的螺丝螺纹连接。另一种实现方式中，毛细管1也可以直接粘接在调整平台2上。又一种实现方式中，调整平台2上设置有夹子，毛细管1可以被加持在夹子上。这里只是举例说明，毛细管1还可以通过其他方式竖直设置在调整平台2上。
调整平台2固定在电控旋转台3上，控制器4用于控制电控旋转台3的旋转速度和旋转角度，电控旋转台3用于带动调整平台2一起转动。其中，调整平台2可以通过螺栓固定在电控旋转台上3，便于拆卸和更换，调整平台2包括二维平移台和旋转倾斜台，二维平移台用于调整毛细管的前后和左后方向的移动，旋转倾斜台用于调整毛细管的倾斜角度。调整平台2上设置有五个旋钮，其中第一个旋钮用于控制平台前后移动，第二个旋钮用于控制平台左右移动，第三至五个旋钮用于控制平台的倾斜角度。整套装置有两种安装方式，垂直安装时，电控旋转台3可以带动调整平台2在水平面内按照预设的旋转速度旋转任意角度。平行安装时，电控旋转台3可以按照预设的旋转速度旋转改变毛细与激光束的夹角至任意倾斜角度，控制器4的型号可以为42byg250bk-b。
激光器6用于产生激光光束，该激光光束照射在毛细管1上，以产生干涉现象，激光器电源5用于控制激光光束的光强，具体的，通过激光器电源5调整激光器6的电流大小，从而间接设定激光光束的输出功率，即激光光强。其中，毛细管1位于激光器6产生的激光光束的中心，激光光束的直径应大于毛细管的直径，才能观察到清晰的干涉图像。激光器6与毛细管1之间的距离可以根据激光器的类型进行调整，当激光器6为he-ne激光器时，激光器6与毛细管1之间的距离应大于1米，使产生的激光光束的直径大于毛细管的直径(1.010mm)，使入射到毛细管的入射光均匀分布，从而不会对实验结果产生影响。
进一步的，该装置还可以包括：电荷耦合器件(chargedcoupleddevice，简称ccd)线阵传感器7、数据采集装置8和数据处理装置9。线阵ccd传感器7固定在电控旋转台3上，线阵ccd传感器7随电控旋转台3转动，线阵ccd传感器7和调整平台2都随电控旋转台3一起转动。毛细管1设置在调整平台2上，线阵ccd传感器7调整平台2一起转动，采集激光光束经过毛细管1后的干涉条纹的数据。数据采集装置8用于将线阵ccd传感器7采集到的干涉条纹的数据传输给数据处理装置9，数据处理装置9用于对干涉条纹的数据进行分析和显示。该数据处理装置9可以为个人电脑(personalcomputer，简称pc)、智能手机、平板电脑等。
可选的，该装置还包括底座10，电控旋转台3固定在底座10上。
基于上述毛细管干涉测量实验装置，可以将毛细管内灌多种液体，分别测量各种液体的折射率，并且分别研究了激光通过毛细管后产生的干涉图样和激光通过倾斜放置的毛细管后产生的干涉图样。其中，激光通过毛细管后产生的干涉图样包括：光强间距简单规则的类似杨氏双缝干涉条纹的双光束干涉条纹、周期性包络及其内部条纹间距规则的精细条纹的三光束干涉条纹等。激光光束通过倾斜放置的毛细管后产生的干涉图样包括：椭圆状的干涉圆环中的弧状条纹、麻绳状条纹、椭圆顶部干涉条纹的吞吐现象。通过观察实验现象，记录实验数据，计算毛细管1内的待测液体的折射率、毛细管1的管壁折射率、毛细管1内外径这4个参数。
以下将具体介绍上述两种干涉测量方法：方法一、激光通过竖直放置的毛细管后产生的干涉图样的测量；方法二、激光通过倾斜放置的毛细管后产生的干涉图样的测量方法。
首先，进入如下测量准备工作：
(1)搭建实验装置，将激光器6放置于距毛细管11m外处，将激光器6的电源连接交流电源的输出端，并通过激光器电源5缓慢地将激光器6的输出电流调至工作电流，以达到粗调激光器6的输出光强的目的。待激光器6的输出电流稳定后，即激光器6的输出光强稳定后，将偏振片放置于激光器6前20cm处位置，通过旋转偏振片进而细调激光器6的输出光强。调节激光束的倾仰角度，使其与桌面平行。
(2)将一定折射率的液体，灌到毛细管1内部，并将毛细管1垂直固定于调整平台2上，调整调整平台2上的旋钮以调整毛细管1竖直放置，并位于激光器6的激光光束中心。在实施方法二时，毛细管1内所灌装的液体的折射率可以大于或小于毛细管1管壁的折射率，例如，毛细管1的折射率为1.4700，则待测液体可以为水和硅油，水的折射率为1.3330，硅油的折射率为1.4063，待测液体还可以为苯乙醇，苯乙醇的折射率为1.5323。下述例子以待测液体为苯乙醇液体为例进行说明。在实施方法一时，毛细管1内所灌装的液体的折射率大于毛细管1管壁的折射率，这是因为方法二只能通过计算反推得到折射率大于管壁的液体的折射率，当毛细管1内所灌装的液体的折射率小于毛细管1管壁的折射率时，有些干涉条纹会消失，因此无法计算得到折射率。
(3)启动线阵ccd传感器7和数据处理装置9，当两者正常工作后，调整线阵ccd传感器7与激光器6的激光光束位于同一平面，将线阵ccd传感器7的摄像头对准激光照射于毛细管1后出射光以接收光强。需要说明的是，在方法二中不需要线阵ccd传感器7、数据采集装置8和数据处理装置9，因此，也不执行本步骤。
(4)将电控旋转台3和控制器4的电源连接交流电源的输出端，开启控制器4，使电控旋转台3正常运转。
方法一的测量过程：调节控制器4的转动速度，并通过控制器4设定电控旋转台3的旋转角度范围为0-360度，控制器4驱动电控旋转台3转动，电控旋转台3带动调整平台2和线阵ccd传感器7在激光光束所在的水平面内从设定的实验初始角度开始运动。线阵ccd传感器7的摄像头同时开始采集激光光束经过毛细管1后的干涉条纹的数据，并通过数据采集装置8将干涉条纹的数据传给数据处理装置9，数据处理装置9存储经过毛细管1出射后任意散射角度的干涉条纹的数据。直至线阵ccd传感器7再次回到初始角度并处于稳定状态后，线阵ccd传感器7停止图像采集，由数据处理装置9保存相关实验图像与数据。数据处理装置9根据激光光束经过毛细管后0-360度范围内的干涉条纹的数据，计算干涉条纹的角宽度，进而根据干涉条纹的角宽度计算毛细管内外径、管壁折射率、管内液体折射率等。
可选的，改变电控旋转台3的旋转角度为154-168度，电控旋转台3带动调整平台2和线阵ccd传感器7在激光光束所在的水平面内从设定的实验初始角度转动到154度，然后按照预设的旋旋转频率度从154度旋转到168度，同时线阵ccd传感器7采集经过毛细管1后的干涉条纹的数据，并通过数据采集装置8将干涉条纹的数据传给数据处理装置9，数据处理装置9存储干涉条纹的数据并显示经过毛细管出射后的154-168度范围内的干涉条纹。可观察到154-168度区域内干涉条纹整体的亮度低且宽度随散射角的增大而逐渐缓慢减小，呈现类似杨氏双缝干涉条纹特征的光强分布，具有简单规律性的周期性干涉条纹，根据干涉条纹的散射光强随散射角的分布，计算干涉条纹的角宽度，从而根据干涉条纹的角宽度计算毛细管1管壁折射率和外径。
可选的，改变电控旋转台3的旋转角度为36-67度，电控旋转台3带动调整平台2和线阵ccd传感器7在激光光束所在的水平面内从设定的实验初始角度转动到37度，然后按照预设的旋旋转频率度从37度旋转到67度，同时线阵ccd传感器7采集经过毛细管1后的干涉条纹的数据，并通过数据采集装置8将干涉条纹的数据传给数据处理装置9，数据处理装置9存储干涉条纹的数据并显示经过毛细管出射后的36-67度范围内的干涉条纹。可观察到36-67度区域内干涉条纹为光强呈周期性分布的包络，包络内部还有精细结构的条纹。并且包络的宽度随着散射角度的增大而逐渐缓慢减小，其中精细条纹的宽度随散射角的增大而缓慢增大，而包络中的精细条纹的个数逐渐减小，根据干涉条纹的散射光强随散射角的分布，计算干涉条纹的角宽度，进而根据干涉条纹的角宽度计算毛细管1内液体的折射率和内径。
可选的，改变电控旋转台3的旋转角度为0-36度，电控旋转台3带动调整平台2和线阵ccd传感器7在激光光束所在的水平面内从设定的实验初始角度0度开始，按照预设的旋旋转频率度从0度旋转到36度，同时线阵ccd传感器7采集经过毛细管1后的干涉条纹的数据，并通过数据采集装置8将干涉条纹的数据传给数据处理装置9，数据处理装置9存储干涉条纹的数据并显示经过毛细管出射后的0-36度范围内的干涉条纹。可观察到0-36度区域内干涉条纹整体亮度高且宽度随散射角的增大而逐渐缓慢增大，根据干涉条纹的散射光强随散射角的分布，计算干涉条纹的角宽度，进而根据干涉条纹的角宽度计算毛细管1内的液体的折射率和内径。
图2为激光通过竖直放置的毛细管后产生的干涉图样的测量结果的示意图，如图2所示，毛细管1主要分为5个测量区域：a区域、b区域、c区域、d区域和e区域，a区域0-36度范围内，干涉条纹的整体亮度高且宽度随散射角的增大而逐渐缓慢增大。b区域36-67度范围内，包络的宽度随着散射角度的增大而逐渐缓慢减小，其中精细条纹的宽度随散射角的增大而缓慢增大，而包络中的精细条纹的个数逐渐减小。c区域154-168度范围内，干涉条纹宽度随散射角的增大而逐渐缓慢减小。d和e所处区域分别是一片暗区和条纹间距及光强无规律分布的图样。如此，干涉图样可分为三类：第一类是简单的类似于双缝干涉的周期性条纹(a区域和c区域对应的干涉条纹),第二类是包含(包络)精细结构的条纹(b区域对应的干涉条纹)，而第三类是不规则的条纹(d区域和e区域对应的干涉条纹)。
方法二的测量过程：与实施例一不同的是，本方法中可以不需要线阵ccd传感器7、数据采集装置8和数据处理装置9，只需要增加一个光屏。并且需要将毛细管安装至平行于旋转平面位置，并将调整平台2和电控旋转台3整体旋转90度，使旋转平面竖直。调节电控旋转台3的转动速度，并设定旋转角度范围为0-90度。电控旋转台3带动调整平台2一起运动，从而带动毛细管1在激光光束所在的竖直面内从设定的初始角度0开始转动至90度。在光屏上读取椭圆形干涉图样顶部干涉条纹的吞吐个数并记录，从而计算毛细管1内的液体折射率。
可选的，改变电控旋转台3的旋转角度范围为65-68度，电控旋转台3带动调整平台2在激光光束所在的竖直面内从设定的初始角度65度开始转动并在设定转动速度下运动至68度。实验中，可以观测到在毛细管1与水平面间夹角从65度到68度会发生50次“明暗”变化。顶部条纹每变化10次，记录一次毛细管倾斜角度，计算倾斜角度对应光程，记录50个条纹，从而计算毛细管1管壁折射率。
可选的，改变毛细管1内的液体，调节电控旋转台3旋转角度范围，观察不同折射率下，干涉条纹变化规律和吞吐情况，顶部条纹每变化10次，记录一次毛细管1倾斜角度，计算倾斜角度对应光程，记录50个条纹，从而计算毛细管1管壁折射率。需要说明的是，不同尺寸的毛细管和不同折射率的待测液体管擦到的条纹可能不同，顶部条纹的变化次数也可能不同。
图3为激光通过倾斜放置的毛细管后产生的干涉图样的测量结果的示意图，如图3所示，当激光通过倾斜放置的毛细管后，会在远处的垂直于激光入射方向的光屏上形成椭圆形的干涉圆环，为了方便描述，建立了一个极坐标，以中心为原点，竖直向上做极轴，干涉圆环上任意一点与原点连线与极轴夹角定义为极角η，以顺时针方向为η的正向，η取值范围为0度～180度。则干涉圆环内部有三种不同类型的干涉条纹：(a)顶部是弧状条纹；(b)侧边是麻绳状条纹；(c)底部是细密的直条纹。其中，麻绳状条纹是弧状条纹与直条纹交叠的区域。此外，随着逐渐改变毛细管倾角。当增大毛细管的倾角，不仅干涉圆环会随之变小，圆环顶部两侧的干涉条纹会向中心移动，类似迈克尔逊干涉仪出现的“吞吐”现象。
本实施例的装置，包括毛细管、调整平台、电控旋转台、控制器、激光器电源和激光器，毛细管为中空的圆柱形，毛细管竖直设置在调整平台的凹槽内，调整平台固定在电控旋转台上，控制器用于控制电控旋转台的旋转频率和旋转角度，电控旋转台用于带动调整平台一起转动，激光器用于产生激光光束，激光光束照射在毛细管上，以产生干涉现象，激光器电源用于控制激光光束的光强。所述装置能够观察到清晰、多样的干涉条纹，并且根据记录的干涉条纹的数据，计算毛细管内的待测液体的折射率、毛细管的管壁折射率、毛细管的内径和外径。并且所述装置测量简单，成本较低。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。