衍射光柵實(shí)驗(yàn)光源的拓展研究

劉 浩(蘭州商學(xué)院 物理實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730020)

節(jié)能燈是二十世紀(jì)八十年代發(fā)展起來的一種新型的通用照明光源，它和汞燈光譜中都含有汞原子標(biāo)識(shí)譜線，同時(shí)節(jié)能燈具有價(jià)格便宜、紫外輻射少、光譜背景明亮等優(yōu)點(diǎn)。作者采用彩色節(jié)能燈替代汞燈光源進(jìn)行光柵實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果，探索了彩色節(jié)能燈替代汞燈光源進(jìn)行光柵實(shí)驗(yàn)的可行性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

光柵是具有空間周期性結(jié)構(gòu)的衍射屏，物理實(shí)驗(yàn)用光柵通常是由等間距透明與不透明條紋組成的一維光柵。根據(jù)夫瑯和費(fèi)衍射理論，當(dāng)波長(zhǎng)為λ的平行光垂直投射到光柵上，通過每個(gè)狹縫的光都要產(chǎn)生衍射，若在光柵后面放置一會(huì)聚透鏡，所有衍射光通過透鏡后將相互干涉，所以光柵衍射條紋是單縫衍射和多縫干涉的總效果。在光線正入射的情況下：

式中d 為光柵常數(shù)，m 為衍射光譜的級(jí)數(shù)，φ 為第m 級(jí)譜線的衍射角，λ 為衍射光波波長(zhǎng)。衍射光柵實(shí)驗(yàn)用低壓汞燈作光源，它光譜中幾條明亮線分別為：404.66nm 藍(lán)紫色、435.83 nm 藍(lán) 色、546.07nm 綠 光、576.96 nm 黃 色、579.07nm 黃色。一般用546.07nm 綠色譜線作標(biāo)識(shí)，計(jì)算光柵常數(shù)[1-2]。

1.2 汞燈的改造工作

汞燈由電源箱、燈管及燈架組成，由于工作電流大，低壓電源和燈管都比較容易燒壞，燈管、電源箱的價(jià)格高且配套性很強(qiáng)，給實(shí)驗(yàn)儀器的采購及維護(hù)帶來了諸多不便。節(jié)能燈是日光燈的換代產(chǎn)品，其可見光是通過受激汞原子產(chǎn)生紫外線，紫外線撞擊玻璃燈管內(nèi)壁的熒光粉產(chǎn)生的[3]，受激汞原子也發(fā)出特定的可見光區(qū)譜線，所以它理論上可以作為低壓汞燈的替代光源。

采用彩色節(jié)能燈替代汞燈作為實(shí)驗(yàn)光源時(shí)，節(jié)能燈的電子整流器取代了汞燈的低壓電源，直接接入220 伏交流電源，方便實(shí)驗(yàn)操作及儀器日常維護(hù)，而且節(jié)能燈壽命長(zhǎng)、耗能低。圖1 是彩色節(jié)能燈（右）和汞燈（左）的實(shí)物圖。

圖1 汞燈與彩色節(jié)能燈

2 測(cè)量結(jié)果與分析

2.1 利用汞燈光譜計(jì)算光柵常數(shù)

按衍射光柵實(shí)驗(yàn)步驟調(diào)節(jié)分光計(jì)，先用汞燈做標(biāo)準(zhǔn)光源，實(shí)驗(yàn)測(cè)量光柵一級(jí)衍射譜線偏轉(zhuǎn)角，所得數(shù)據(jù)記錄在表1 中。

將數(shù)據(jù)代入公式（1-1），波長(zhǎng)l 取汞燈各譜線 標(biāo) 準(zhǔn) 值（579.07、576.96、546.07、491.6、435.84、407.78、404.66）[4]，計(jì)算出實(shí)驗(yàn)用光柵的光柵常數(shù)等于1666.87nm（平均值），與生產(chǎn)廠家提供的光柵常數(shù)1666.66nm（600 線）基本吻合。

表1 低壓汞燈的測(cè)量數(shù)據(jù)

表2 紅色節(jié)能燈的測(cè)量數(shù)據(jù)

表3 藍(lán)色節(jié)能燈的測(cè)量數(shù)據(jù)

2.2 紅色節(jié)能燈衍射光譜測(cè)量

保持2.1 節(jié)實(shí)驗(yàn)測(cè)量條件不變，用紅色節(jié)能燈替代汞燈，測(cè)量光柵衍射的一級(jí)衍射譜線，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。光柵常數(shù)取1666.66nm（600線），測(cè)量數(shù)據(jù)代入公式（1-1），計(jì)算出紅色節(jié)能燈的衍射標(biāo)識(shí)譜線波長(zhǎng)見表2。

表2 第一列的紅色譜線（611.72nm）不是汞原子的譜線，它是紅色節(jié)能燈發(fā)光材料—稀土銪激活氧化釔Y2O3：Eu 熒光粉—激發(fā)的譜線，氧化釔是最早開發(fā)的紅色發(fā)光材料，是三基色節(jié)能燈中用的最多、效率最高的紅色熒光粉[5]。

紅色節(jié)能燈的衍射光譜中，有一些紅紅、橙色分段光譜，是燈內(nèi)紫外線（254nm）輻射激發(fā)熒光粉的產(chǎn)物，它們使紅、黃色區(qū)背景明亮，方便了汞原子雙黃線附近的定位與測(cè)量，雖然降低了藍(lán)紫區(qū)491.6、404.66nm 兩譜線的能見度，但對(duì)總體測(cè)量影響不大。對(duì)比紅燈與汞燈兩種光源的譜線波長(zhǎng)，基本處在誤差范圍之內(nèi)，符合光柵實(shí)驗(yàn)光源要求。

2.3 藍(lán)色節(jié)能燈衍射光譜測(cè)量

保持2.1 節(jié)實(shí)驗(yàn)測(cè)量條件，用藍(lán)色節(jié)能燈取代汞燈，移動(dòng)望遠(yuǎn)鏡十字叉絲位置，測(cè)量藍(lán)色節(jié)能燈一級(jí)衍射譜線，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3 所示。光柵常數(shù)取1666.66nm（600 線），將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入公式（1-1），計(jì)算藍(lán)色節(jié)能燈標(biāo)識(shí)譜線的波長(zhǎng)見表3。

縱觀藍(lán)色節(jié)能燈的衍射譜線特征，它們?cè)谡麄€(gè)視野范圍內(nèi)明亮清晰，與汞燈的一級(jí)衍射譜線十分類似，而且藍(lán)綠色區(qū)（435.84～546.07nm）紫外線照射熒光粉發(fā)出的連續(xù)光譜，形成了望遠(yuǎn)鏡藍(lán)綠色視野中良好的背景光，它使望遠(yuǎn)鏡叉絲在整個(gè)視野范圍內(nèi)清晰可辨，非常方便藍(lán)色節(jié)能燈各個(gè)特征譜線的定位測(cè)量工作，替代效果理想可靠。

3 結(jié)論

用紅、藍(lán)兩種彩色節(jié)能燈作為光源，進(jìn)行衍射光柵實(shí)驗(yàn)操作，測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果，與汞燈譜線的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)基本一致，彩色節(jié)能燈作為替代光源，符合衍射光柵實(shí)驗(yàn)的要求。

[1]沈元華,陸申龍.基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)[M].高等教育出版社，251～255.

[2]丁慎訓(xùn),張連芳.物理實(shí)驗(yàn)教程[M].清華大學(xué)出版社,239～243.

[3]劉寶林,蔡加法等譯.綠色照明知識(shí)讀本[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2012:58～62.

[4]陳大華.高壓汞燈原理特性和應(yīng)用[J].燈與照明,2002,5:13～15.

[5]喬更新,吳志平.熒光燈制造實(shí)用技術(shù)[M].人民郵電出版社,2012:62～64.