应用于大场景光学演示实验的高亮度白光光源制作

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.