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应用于大场景光学演示实验的高亮度白光光源制作

2012-02-01张海君张瑞明穆良柱

物理实验 2012年7期
关键词:高亮度灯芯白光

张海君,张瑞明,穆良柱

(北京大学物理学院,北京100871)

1 引 言

演示实验是在课堂上进行的与讲授内容密切配合的实验,它主要由教师操作给学生观看,可以起到激发学生的学习兴趣、促进思考、加深理解的作用.演示实验要求装置简单,主题突出,操作简便,效果直观、形象,并富于启发性[1].亮度高、色谱丰富、装置简单的白光光源可以改善物理演示实验的课堂效果.现有的白光光源主要有白炽灯和高压汞灯[2],这给物理演示实验教学带来一定的不便:1)光功率小,需要在暗视条件下进行教学;2)出射光功率利用效率不高,致使大部分出射光被白白浪费掉;3)装置复杂,价格较高.如果采用超高压汞灯作为白光光源,同时采用反光杯等光学装置,就可以满足大场景明视条件下牛顿环干涉、光栅衍射等光学现象的课堂演示教学要求,下面介绍这种高亮度白光光源系统.

2 光源系统结构

高亮度白光光源系统结构简单,主要包括灯芯、反光杯、散热风扇、驱动电源和机箱5部分,装置如图1所示.

2.1 灯芯

图1 光源系统结构示意图

灯芯采用超高压汞灯[3],该产品的优势主要体现在亮度高、寿命长和具有稳定的颜色光谱性能.普通高压汞灯的汞蒸气工作压力仅为几百kPa,以辐射线光谱为主,而且需要通过荧光粉将紫外辐射转换成可见光,显色性差,光效低.超高压汞灯的汞蒸气工作压力为20MPa左右,由于可见光辐射增强,谱线展宽和汞分子连续谱线的作用,光效和显色性都有极大的提高.灯芯的平均亮度高达1Gcd/m2,并拥有较长的使用寿命,可达3 000~10 000h.使用寿命期间,超高压汞灯拥有非常稳定的颜色光谱性能.

2.2 反光杯

为提高灯芯出射光的利用率,将超高压汞灯灯芯精确定焦粘接在内部镀有耐高温膜的反光杯内,并在反光杯口部粘接一片两面镀耐高温透光膜的玻璃板.反光杯内部所镀的这层耐高温膜对可见光具有高反射率,对红外、紫外光线具有高透射率,并且寿命长.反光杯的主要功能是将灯芯放射的光经过反射、聚光处理使其变成近似平行光出射到光路系统,从而避免浪费近75%的出射光;同时也可将不需要的红外、紫外光线进行吸收衰减,降低出射光束温度.玻璃板具有防爆、隔热的功效,而且吸收紫外线,对可见光的透过率大于99%.

2.3 散热风扇

尽管反光杯和玻璃板都采用了耐高温材料,超高压汞灯点燃过程中所发射出的热量还是不容忽视的.为了提高散热效率,在仪器设计中加入了2个散热风扇,其中功率大的散热风扇置于反光杯的正上方,功率较小的散热风扇置于驱动电源的一侧,并且电路设计中采用汞灯停止工作时,散热风扇继续工作的方式.仪器连续点燃1h,仍正常工作,并且仪器外壳无烫热.

2.4 工作电源

超高压汞灯采用特殊形状的脉冲电流作为驱动,以保持电弧稳定发光和电极的稳定性.配套电子镇流器输出功率稳定,使灯的性能更加完美.

2.5 机箱

采用优质铝型材制作的机箱,前后面板分别加工制作光出射孔和散热孔;并且整体只设计1个按键式开关,操作简便.

3 牛顿环干涉实验

借助于自制的高亮度白光光源,牛顿环干涉实验的课堂演示操作变得非常简单.将白光光源照明牛顿环,反射光(或透射光)经透镜成像于屏幕上,即可以观察到1组同心圆环形的彩色等厚干涉条纹.调节牛顿环元件上的螺丝,可观察到彩色牛顿环圆心的移动或者圆形干涉条纹的扩展和收缩.沿光轴方向向前或向后移动透镜,可观察到牛顿环由清晰变模糊甚至消失.实验获得到的牛顿环图样如图2所示,演示图样清晰.该方法极大地激发学生的学习兴趣.

图2 牛顿环干涉花样

4 光栅衍射实验

高亮度白光光源在光栅衍射实验中也具有很好的演示效果.为了更好地观测光栅的分光作用,应当采用线光源照射光栅.超高压汞灯的出射光经过反光杯的反射、聚光,再经过玻璃板的过滤,近似为一平行面光源,所以需要通过单缝将其改造为线光源.设计中采用缝宽1mm的单缝.

光栅的衍射属于夫琅禾费衍射.实现夫琅禾费衍射的光路如图3所示[1,4]:用1个透镜将光源成像于幕上,在透镜和幕之间插入衍射屏,幕上亦可近似地得到衍射屏的夫琅禾费衍射图样.该光路所需要的光学元件较少,调节方便,改变衍射屏和幕之间的距离即改变了色散.

图3 透射光栅衍射实验

做透射光栅和闪耀光栅演示实验,得到的透射光栅光谱图样如图4所示,衍射花样亮度饱满,而且谱线色彩丰富.

图4 透射光栅衍射花样

5 结束语

采用超高压汞灯作为灯芯,运用反光杯提高出射光的利用率,从而使本光源系统具有亮度高、光效高、色谱丰富、装置简单、价格低廉的优点.用于牛顿环干涉实验和光栅衍射实验具有很好的课堂演示效果,另将其拓展应用于布儒斯特角实验和显色偏振实验,演示效果也非常直观、形象.该仪器于2009年8月获得“第9届全国高等学校物理演示实验教学研讨会”仪器评选一等奖.

[1] 陈熙谋.物理演示实验[M].北京:高等教育出版社,1982:1,280-281.

[2] 苏小华,张加深.几种常见光源特性的研究[J].大学物理实验,2003,16(1):52-54.

[3] 陈忠,陆军民.飞利浦UHP投影光源的新发展[J].现代显示,2003(3):26-28.

[4] 钟锡华.像面衍射场系夫琅禾费衍射[J].大学物理,2008,27(1):1-4.

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