應(yīng)用于大場景光學(xué)演示實(shí)驗(yàn)的高亮度白光光源制作

張海君，張瑞明，穆良柱

（北京大學(xué)物理學(xué)院，北京100871）

1 引 言

演示實(shí)驗(yàn)是在課堂上進(jìn)行的與講授內(nèi)容密切配合的實(shí)驗(yàn)，它主要由教師操作給學(xué)生觀看，可以起到激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、促進(jìn)思考、加深理解的作用.演示實(shí)驗(yàn)要求裝置簡單，主題突出，操作簡便，效果直觀、形象，并富于啟發(fā)性[1].亮度高、色譜豐富、裝置簡單的白光光源可以改善物理演示實(shí)驗(yàn)的課堂效果.現(xiàn)有的白光光源主要有白熾燈和高壓汞燈[2]，這給物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來一定的不便：1）光功率小，需要在暗視條件下進(jìn)行教學(xué)；2）出射光功率利用效率不高，致使大部分出射光被白白浪費(fèi)掉；3）裝置復(fù)雜，價格較高.如果采用超高壓汞燈作為白光光源，同時采用反光杯等光學(xué)裝置，就可以滿足大場景明視條件下牛頓環(huán)干涉、光柵衍射等光學(xué)現(xiàn)象的課堂演示教學(xué)要求，下面介紹這種高亮度白光光源系統(tǒng).

2 光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高亮度白光光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，主要包括燈芯、反光杯、散熱風(fēng)扇、驅(qū)動電源和機(jī)箱5部分，裝置如圖1所示.

2.1 燈芯

圖1 光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

燈芯采用超高壓汞燈[3]，該產(chǎn)品的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在亮度高、壽命長和具有穩(wěn)定的顏色光譜性能.普通高壓汞燈的汞蒸氣工作壓力僅為幾百kPa，以輻射線光譜為主，而且需要通過熒光粉將紫外輻射轉(zhuǎn)換成可見光，顯色性差，光效低.超高壓汞燈的汞蒸氣工作壓力為20MPa左右，由于可見光輻射增強(qiáng)，譜線展寬和汞分子連續(xù)譜線的作用，光效和顯色性都有極大的提高.燈芯的平均亮度高達(dá)1Gcd／m2，并擁有較長的使用壽命，可達(dá)3 000～10 000h.使用壽命期間，超高壓汞燈擁有非常穩(wěn)定的顏色光譜性能.

2.2 反光杯

為提高燈芯出射光的利用率，將超高壓汞燈燈芯精確定焦粘接在內(nèi)部鍍有耐高溫膜的反光杯內(nèi)，并在反光杯口部粘接一片兩面鍍耐高溫透光膜的玻璃板.反光杯內(nèi)部所鍍的這層耐高溫膜對可見光具有高反射率，對紅外、紫外光線具有高透射率，并且壽命長.反光杯的主要功能是將燈芯放射的光經(jīng)過反射、聚光處理使其變成近似平行光出射到光路系統(tǒng)，從而避免浪費(fèi)近75%的出射光；同時也可將不需要的紅外、紫外光線進(jìn)行吸收衰減，降低出射光束溫度.玻璃板具有防爆、隔熱的功效，而且吸收紫外線，對可見光的透過率大于99%.

2.3 散熱風(fēng)扇

盡管反光杯和玻璃板都采用了耐高溫材料，超高壓汞燈點(diǎn)燃過程中所發(fā)射出的熱量還是不容忽視的.為了提高散熱效率，在儀器設(shè)計中加入了2個散熱風(fēng)扇，其中功率大的散熱風(fēng)扇置于反光杯的正上方，功率較小的散熱風(fēng)扇置于驅(qū)動電源的一側(cè)，并且電路設(shè)計中采用汞燈停止工作時，散熱風(fēng)扇繼續(xù)工作的方式.儀器連續(xù)點(diǎn)燃1h，仍正常工作，并且儀器外殼無燙熱.

2.4 工作電源

超高壓汞燈采用特殊形狀的脈沖電流作為驅(qū)動，以保持電弧穩(wěn)定發(fā)光和電極的穩(wěn)定性.配套電子鎮(zhèn)流器輸出功率穩(wěn)定，使燈的性能更加完美.

2.5 機(jī)箱

采用優(yōu)質(zhì)鋁型材制作的機(jī)箱，前后面板分別加工制作光出射孔和散熱孔；并且整體只設(shè)計1個按鍵式開關(guān)，操作簡便.

3 牛頓環(huán)干涉實(shí)驗(yàn)

借助于自制的高亮度白光光源，牛頓環(huán)干涉實(shí)驗(yàn)的課堂演示操作變得非常簡單.將白光光源照明牛頓環(huán)，反射光（或透射光）經(jīng)透鏡成像于屏幕上，即可以觀察到1組同心圓環(huán)形的彩色等厚干涉條紋.調(diào)節(jié)牛頓環(huán)元件上的螺絲，可觀察到彩色牛頓環(huán)圓心的移動或者圓形干涉條紋的擴(kuò)展和收縮.沿光軸方向向前或向后移動透鏡，可觀察到牛頓環(huán)由清晰變模糊甚至消失.實(shí)驗(yàn)獲得到的牛頓環(huán)圖樣如圖2所示，演示圖樣清晰.該方法極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

圖2 牛頓環(huán)干涉花樣

4 光柵衍射實(shí)驗(yàn)

高亮度白光光源在光柵衍射實(shí)驗(yàn)中也具有很好的演示效果.為了更好地觀測光柵的分光作用，應(yīng)當(dāng)采用線光源照射光柵.超高壓汞燈的出射光經(jīng)過反光杯的反射、聚光，再經(jīng)過玻璃板的過濾，近似為一平行面光源，所以需要通過單縫將其改造為線光源.設(shè)計中采用縫寬1mm的單縫.

光柵的衍射屬于夫瑯禾費(fèi)衍射.實(shí)現(xiàn)夫瑯禾費(fèi)衍射的光路如圖3所示[1，4]：用1個透鏡將光源成像于幕上，在透鏡和幕之間插入衍射屏，幕上亦可近似地得到衍射屏的夫瑯禾費(fèi)衍射圖樣.該光路所需要的光學(xué)元件較少，調(diào)節(jié)方便，改變衍射屏和幕之間的距離即改變了色散.

圖3 透射光柵衍射實(shí)驗(yàn)

做透射光柵和閃耀光柵演示實(shí)驗(yàn)，得到的透射光柵光譜圖樣如圖4所示，衍射花樣亮度飽滿，而且譜線色彩豐富.

圖4 透射光柵衍射花樣

5 結(jié)束語

采用超高壓汞燈作為燈芯，運(yùn)用反光杯提高出射光的利用率，從而使本光源系統(tǒng)具有亮度高、光效高、色譜豐富、裝置簡單、價格低廉的優(yōu)點(diǎn).用于牛頓環(huán)干涉實(shí)驗(yàn)和光柵衍射實(shí)驗(yàn)具有很好的課堂演示效果，另將其拓展應(yīng)用于布儒斯特角實(shí)驗(yàn)和顯色偏振實(shí)驗(yàn)，演示效果也非常直觀、形象.該儀器于2009年8月獲得“第9屆全國高等學(xué)校物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會”儀器評選一等獎.

[1] 陳熙謀.物理演示實(shí)驗(yàn)[M].北京：高等教育出版社，1982：1，280－281.

[2] 蘇小華，張加深.幾種常見光源特性的研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2003，16（1）：52－54.

[3] 陳忠，陸軍民.飛利浦UHP投影光源的新發(fā)展[J].現(xiàn)代顯示，2003（3）：26－28.

[4] 鐘錫華.像面衍射場系夫瑯禾費(fèi)衍射[J].大學(xué)物理，2008，27（1）：1－4.