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，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