光源在光學實驗中的應用

胡長宏，李 玉，王連元，何 越，李守春

(吉林大學，吉林長春 130015)

光源在光學實驗中的應用

胡長宏，李 玉*，王連元，何 越，李守春

(吉林大學，吉林長春 130015)

本文對大學物理光學實驗中常用光源做簡單介紹，使學生明確不同的光源用于不同的實驗目的。

熱輻射光源;氣體放電光源;電致發(fā)光光源;激光光源

光學實驗離不開光源，對于不同的實驗要求，所采用的光源也不同。光源的正確選擇對實驗的成敗和結(jié)果的準確性至關重要。

1 光源的分類

光源的種類很多，按照發(fā)光形式分為熱輻射光源、氣體放電光源和電致發(fā)光光源三類。

熱輻射光源:電流流經(jīng)導電物體，使之在高溫下輻射光能的光源，包括白熾燈和鹵鎢燈兩種。白熾燈主要由燈頭、燈絲、玻璃泡組成。燈絲用高熔點的鎢絲材料繞制而成，并封入真空玻璃泡內(nèi)，再充入惰性氣體氬或氮，以提高燈泡的使用壽命，電流通過鎢絲使之達到白熾狀態(tài)從而引起熱輻射發(fā)光。白熾燈具有結(jié)構簡單，價格低廉，使用方便，啟動迅速等優(yōu)點。白熾燈發(fā)射的是連續(xù)光譜，不僅用作可見光的光源，還與透過紅外線的濾光片一起使用作為紅外輻射源。目前也廣泛用于現(xiàn)代顯微鏡、投影儀、幻燈以及醫(yī)療儀器等光學儀器上。

白熾燈的主要缺點是發(fā)光效率低，使用壽命也較短，且不耐震，如需更大的亮度時，一般采用鹵鎢燈。鹵鎢燈是由燈絲和耐高溫的石英燈管組成，在管內(nèi)充有適量鹵素和惰性氣體。被蒸發(fā)的鎢和鹵素在管壁附近化合成鹵化物，鹵化物由管壁向燈絲擴散遷移，在鎢絲周圍形成一層鎢蒸汽，一部分鎢又重新回到鎢絲上，這樣既使鎢不致沉積在管壁上，防止燈管發(fā)黑，又有效抑制了鎢的蒸發(fā)，提高了發(fā)光的強度和效率。鹵鎢燈同白熾燈相比，具有體積小，壽命長，發(fā)光效率高等優(yōu)點，但使用了石英玻璃管，故價格較貴。鹵鎢燈的燈絲溫度較高，其發(fā)射光能的波長覆蓋較寬(320～2 500 nm)，但紫外區(qū)很弱。通常取其波長大于350 nm的光作為可見區(qū)光源，應用于紫外-可見分光光度計中。

氣體放電光源:電流流經(jīng)氣體或金屬蒸氣，使之產(chǎn)生氣體放電而發(fā)光的光源。光學實驗中常用的氣體放電光源包括汞燈、鈉燈、氘燈和氙燈。汞燈是利用汞放電時產(chǎn)生汞蒸氣獲得可見光的光源，分為低壓汞燈、高壓汞燈、超高壓汞燈。汞的氣壓越高，汞燈的發(fā)光效率也越高，發(fā)射的光也由線狀光譜向帶狀光譜過渡。低壓汞燈主要輻射185.0 nm和253.7 nm的紫外光，常用于光譜儀的波長基準、紫外殺菌和熒光分析等;高壓汞燈可見區(qū)呈帶狀光譜，紅外區(qū)呈弱的連續(xù)光譜，常用于紫外輻照度標準、熒光分析和紫外探傷等;超高壓汞燈輻射的光譜線較寬，形成連續(xù)背景，常作為點光源用于光學儀器、熒光分析和光刻技術等。

鈉燈是利用鈉蒸氣放電產(chǎn)生可見光的光源。鈉燈分為低壓鈉燈和高壓鈉燈。低壓鈉燈的放電輻射集中在589.0nm和589.6nm的兩條特征譜線上，物理實驗中常取其平均值589.3nm作為單色光源使用。高壓鈉燈是針對低壓鈉燈單色性太強，顯色性很差，放電管過長等缺點而研制的。鈉燈常作為偏振計、旋光計、折光儀等光學儀器的單色光源。

圖1 低壓汞燈光譜能量分布

圖2 高壓汞燈光譜能量分布

圖3 高壓鈉燈光譜能量分布

圖4 氘燈光譜能量分布

氘燈的泡殼內(nèi)充有高純度的氘氣。氘燈工作時，陰極產(chǎn)生電子發(fā)射，高速電子碰撞氘原子，激發(fā)氘原子產(chǎn)生連續(xù)的紫外光譜(185～400 nm)。氘燈的紫外線輻射強度高、穩(wěn)定性好、壽命長，作為連續(xù)紫外光源，廣泛應用于液相色譜儀的UV檢測器，電泳儀，紫外可見分光光度計等多種分析測試儀器中。

氙燈是由充有惰性氣體氙的石英泡殼內(nèi)兩個鎢電極之間的高溫電弧放電而發(fā)出強光的光源。氙燈分為長弧氙燈、短弧氙燈和脈沖氙燈。氙燈的輻射光譜是連續(xù)的，與日光的光譜能量分布接近，色溫約6 000 K，亮度高，壽命可達1 000 h。氙燈可作為連續(xù)激光光源，用于固體激光器的光泵、高速攝影和光信號源等。

圖5 氙燈光譜能量分布

圖6 GaAs0.6 P0.4和GaP光譜能量分布

電致發(fā)光光源:在電場作用下，使固體物質(zhì)發(fā)光的光源。發(fā)光二極管(LED)屬于電致發(fā)光光源，是繼熱輻射光源及氣體放電光源之后的新型光源。它由p型和n型半導體組合而成，是少數(shù)載流子在p-n結(jié)區(qū)的注入與復合而產(chǎn)生發(fā)光的一種半導體光源。它具有體積小，耗電量低，易于控制，堅固耐用，壽命長，環(huán)保等優(yōu)點。發(fā)光二極管的半導體材料及其摻雜材料決定其發(fā)出光的波長和譜寬。圖中給出了GaAs0.6P0.4和GaP的發(fā)射光譜，其中譜寬是反映發(fā)光的單色性好壞的參數(shù)。光學實驗中，利用LED作為光柵衍射、偏振光及薄透鏡焦距測定實驗中的照明光源，也可和有關的光敏器件一起組成光電耦合器，用于光電自動控制系統(tǒng)。

按照兩光源所發(fā)出的兩束光波疊加能否干涉，將光源分為相干光源和非相干光源。以上三類光源發(fā)出的光波不滿足相干條件，不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，均為非相干光源。激光光源為相干光源，它通過激發(fā)態(tài)粒子在受激輻射作用下發(fā)光，輸出光波波長從短波紫外直到遠紅外。激光器是一種單色性好、方向性強、亮度高、相干性好的新型光源。光學實驗中常用的激光器為氦氖激光器和半導體激光器。氦氖激光器發(fā)出的波長為632.8 nm，輸出功率在幾毫瓦到十幾毫瓦，作為光源用于開展幾何光學、物理光學以及近代光學的教學實驗;半導體激光器可以獲得幾種不同波長的紅色或綠色的激光，其中最常見的波長為532 nm，廣泛用于激光通信、光存儲、激光打印、測距以及雷達等方面。

2 光源的選擇

光源是光學實驗不可缺少的組成部分，對于不同的實驗目的，應采用不同的光源。光源的選擇主要注意以下幾點:

首先光源發(fā)光的光譜特性必須滿足檢測系統(tǒng)的要求。按檢測的任務不同，要求的光譜范圍也有所不同。例如，在目視光學系統(tǒng)中，一般采用可見光譜輻射比較豐富的光源;對于彩色攝影用光源，為了獲得較好的色彩還原，應采用類似于日光色的光源，如鹵鎢燈、氙燈等。在紫外分光光度計中，通常使用氘燈、汞燈、氙燈等紫外輻射較強的光源;在光纖技術中，通常使用發(fā)光二極管和半導體激光器等光源。其次，為確保光電測試系統(tǒng)的正常工作，對系統(tǒng)采用的光源的發(fā)光強度應有一定的要求。例如，三棱鏡色散曲線測繪，作小型棱鏡攝譜儀和單色儀的定標曲線實驗，宜選用譜線較多、有足夠亮度的汞燈作光源;單縫、雙縫、圓孔等衍射的光強分布曲線測繪、楊氏雙縫、全息照相等實驗，應用氦氖激光器。做像差觀測實驗，應利用亮度稍大的白熾鹵鎢燈。最后，選擇光源還要注意不同的光電測試系統(tǒng)對光源的穩(wěn)定性、以及光源的發(fā)光效率和空間分布要求等［4］。

通過對光學實驗中常用光源的介紹，并給出選擇光源的注意事項，使學生了解常用光源的特性，能根據(jù)實際實驗需求選取合適的光源。

［1］ 王國華.大學物理實驗［M］.貴陽:貴州人民出版社，1987.

［2］ 李允中，潘維濟.基礎光學實驗［M］.天津:南開大學出版社，1988.

［3］ 張廣軍.光電測試技術［M］.北京:中國計量出版社，2010.

［4］ 史智平.光源特性研究與使用［J］.大學物理實驗，2011，24(1):14-18.

App lication of Light Source in Optical Experiments

HU Chang-hong，LIYu，WANG Lian-yuan，HE Yue，LIShou-chun

(Jilin University，Jilin Changchun 130015)

This papermake a brief introduction of the common light sources in the optical experiments of University physics，in order to ensure student to understand different light sources for differentexperimental purposes.

thermal radiation light source;gas discharge light source;electroluminescent light source;laser light source

O4-34

A

1007-2934(2014)04-0060-03

2014-01-21

國家自然科學基金(11004077);吉林省青年科研基金(201201028);吉林省自然科學基金(201115031)

*通訊聯(lián)系人