光源在光学实验中的应用

胡长宏，李 玉，王连元，何 越，李守春

(吉林大学，吉林长春 130015)

光源在光学实验中的应用

胡长宏，李 玉*，王连元，何 越，李守春

(吉林大学，吉林长春 130015)

本文对大学物理光学实验中常用光源做简单介绍，使学生明确不同的光源用于不同的实验目的。

热辐射光源;气体放电光源;电致发光光源;激光光源

光学实验离不开光源，对于不同的实验要求，所采用的光源也不同。光源的正确选择对实验的成败和结果的准确性至关重要。

1 光源的分类

光源的种类很多，按照发光形式分为热辐射光源、气体放电光源和电致发光光源三类。

热辐射光源:电流流经导电物体，使之在高温下辐射光能的光源，包括白炽灯和卤钨灯两种。白炽灯主要由灯头、灯丝、玻璃泡组成。灯丝用高熔点的钨丝材料绕制而成，并封入真空玻璃泡内，再充入惰性气体氩或氮，以提高灯泡的使用寿命，电流通过钨丝使之达到白炽状态从而引起热辐射发光。白炽灯具有结构简单，价格低廉，使用方便，启动迅速等优点。白炽灯发射的是连续光谱，不仅用作可见光的光源，还与透过红外线的滤光片一起使用作为红外辐射源。目前也广泛用于现代显微镜、投影仪、幻灯以及医疗仪器等光学仪器上。

白炽灯的主要缺点是发光效率低，使用寿命也较短，且不耐震，如需更大的亮度时，一般采用卤钨灯。卤钨灯是由灯丝和耐高温的石英灯管组成，在管内充有适量卤素和惰性气体。被蒸发的钨和卤素在管壁附近化合成卤化物，卤化物由管壁向灯丝扩散迁移，在钨丝周围形成一层钨蒸汽，一部分钨又重新回到钨丝上，这样既使钨不致沉积在管壁上，防止灯管发黑，又有效抑制了钨的蒸发，提高了发光的强度和效率。卤钨灯同白炽灯相比，具有体积小，寿命长，发光效率高等优点，但使用了石英玻璃管，故价格较贵。卤钨灯的灯丝温度较高，其发射光能的波长覆盖较宽(320～2 500 nm)，但紫外区很弱。通常取其波长大于350 nm的光作为可见区光源，应用于紫外-可见分光光度计中。

气体放电光源:电流流经气体或金属蒸气，使之产生气体放电而发光的光源。光学实验中常用的气体放电光源包括汞灯、钠灯、氘灯和氙灯。汞灯是利用汞放电时产生汞蒸气获得可见光的光源，分为低压汞灯、高压汞灯、超高压汞灯。汞的气压越高，汞灯的发光效率也越高，发射的光也由线状光谱向带状光谱过渡。低压汞灯主要辐射185.0 nm和253.7 nm的紫外光，常用于光谱仪的波长基准、紫外杀菌和荧光分析等;高压汞灯可见区呈带状光谱，红外区呈弱的连续光谱，常用于紫外辐照度标准、荧光分析和紫外探伤等;超高压汞灯辐射的光谱线较宽，形成连续背景，常作为点光源用于光学仪器、荧光分析和光刻技术等。

钠灯是利用钠蒸气放电产生可见光的光源。钠灯分为低压钠灯和高压钠灯。低压钠灯的放电辐射集中在589.0nm和589.6nm的两条特征谱线上，物理实验中常取其平均值589.3nm作为单色光源使用。高压钠灯是针对低压钠灯单色性太强，显色性很差，放电管过长等缺点而研制的。钠灯常作为偏振计、旋光计、折光仪等光学仪器的单色光源。

图1 低压汞灯光谱能量分布

图2 高压汞灯光谱能量分布

图3 高压钠灯光谱能量分布

图4 氘灯光谱能量分布

氘灯的泡壳内充有高纯度的氘气。氘灯工作时，阴极产生电子发射，高速电子碰撞氘原子，激发氘原子产生连续的紫外光谱(185～400 nm)。氘灯的紫外线辐射强度高、稳定性好、寿命长，作为连续紫外光源，广泛应用于液相色谱仪的UV检测器，电泳仪，紫外可见分光光度计等多种分析测试仪器中。

氙灯是由充有惰性气体氙的石英泡壳内两个钨电极之间的高温电弧放电而发出强光的光源。氙灯分为长弧氙灯、短弧氙灯和脉冲氙灯。氙灯的辐射光谱是连续的，与日光的光谱能量分布接近，色温约6 000 K，亮度高，寿命可达1 000 h。氙灯可作为连续激光光源，用于固体激光器的光泵、高速摄影和光信号源等。

图5 氙灯光谱能量分布

图6 GaAs0.6 P0.4和GaP光谱能量分布

电致发光光源:在电场作用下，使固体物质发光的光源。发光二极管(LED)属于电致发光光源，是继热辐射光源及气体放电光源之后的新型光源。它由p型和n型半导体组合而成，是少数载流子在p-n结区的注入与复合而产生发光的一种半导体光源。它具有体积小，耗电量低，易于控制，坚固耐用，寿命长，环保等优点。发光二极管的半导体材料及其掺杂材料决定其发出光的波长和谱宽。图中给出了GaAs0.6P0.4和GaP的发射光谱，其中谱宽是反映发光的单色性好坏的参数。光学实验中，利用LED作为光栅衍射、偏振光及薄透镜焦距测定实验中的照明光源，也可和有关的光敏器件一起组成光电耦合器，用于光电自动控制系统。

按照两光源所发出的两束光波叠加能否干涉，将光源分为相干光源和非相干光源。以上三类光源发出的光波不满足相干条件，不能产生干涉现象，均为非相干光源。激光光源为相干光源，它通过激发态粒子在受激辐射作用下发光，输出光波波长从短波紫外直到远红外。激光器是一种单色性好、方向性强、亮度高、相干性好的新型光源。光学实验中常用的激光器为氦氖激光器和半导体激光器。氦氖激光器发出的波长为632.8 nm，输出功率在几毫瓦到十几毫瓦，作为光源用于开展几何光学、物理光学以及近代光学的教学实验;半导体激光器可以获得几种不同波长的红色或绿色的激光，其中最常见的波长为532 nm，广泛用于激光通信、光存储、激光打印、测距以及雷达等方面。

2 光源的选择

光源是光学实验不可缺少的组成部分，对于不同的实验目的，应采用不同的光源。光源的选择主要注意以下几点:

首先光源发光的光谱特性必须满足检测系统的要求。按检测的任务不同，要求的光谱范围也有所不同。例如，在目视光学系统中，一般采用可见光谱辐射比较丰富的光源;对于彩色摄影用光源，为了获得较好的色彩还原，应采用类似于日光色的光源，如卤钨灯、氙灯等。在紫外分光光度计中，通常使用氘灯、汞灯、氙灯等紫外辐射较强的光源;在光纤技术中，通常使用发光二极管和半导体激光器等光源。其次，为确保光电测试系统的正常工作，对系统采用的光源的发光强度应有一定的要求。例如，三棱镜色散曲线测绘，作小型棱镜摄谱仪和单色仪的定标曲线实验，宜选用谱线较多、有足够亮度的汞灯作光源;单缝、双缝、圆孔等衍射的光强分布曲线测绘、杨氏双缝、全息照相等实验，应用氦氖激光器。做像差观测实验，应利用亮度稍大的白炽卤钨灯。最后，选择光源还要注意不同的光电测试系统对光源的稳定性、以及光源的发光效率和空间分布要求等［4］。

通过对光学实验中常用光源的介绍，并给出选择光源的注意事项，使学生了解常用光源的特性，能根据实际实验需求选取合适的光源。

［1］ 王国华.大学物理实验［M］.贵阳:贵州人民出版社，1987.

［2］ 李允中，潘维济.基础光学实验［M］.天津:南开大学出版社，1988.

［3］ 张广军.光电测试技术［M］.北京:中国计量出版社，2010.

［4］ 史智平.光源特性研究与使用［J］.大学物理实验，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

国家自然科学基金(11004077);吉林省青年科研基金(201201028);吉林省自然科学基金(201115031)

*通讯联系人