ＬＥＤ、ＬＤ光源在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用嘗試

栗　蘋　張明軒

摘要 物理實(shí)驗(yàn)中使用的光源通常有白熾燈、納光燈、低壓汞燈和氦氖激光器等，它們統(tǒng)屬于氣體光源。近年來(lái)，LED、LD構(gòu)成的半導(dǎo)體光源，在各個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。筆者對(duì)LED、LD光源在物理實(shí)驗(yàn)中取代傳統(tǒng)的氣體光源進(jìn)行探索和嘗試，并取得有益的經(jīng)驗(yàn)。實(shí)踐證明，由于LED、LD光源構(gòu)造的特殊性，實(shí)驗(yàn)效果往往更優(yōu)于氣體光源。

關(guān)鍵詞 LED；LD；氣體光源；半導(dǎo)體光源

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-489X（2009）06-0102-02

LED、LD with Lamp-house of Physics Experimentation//Li Ping, Zhang Mingxuan

Abstract The lamp-house of the physics experimentation includes incandescent lamp, sodium lamp, mercurial lamp and He-Ne laser. Due to LED, LD′ s technology has progressed, the scopes of lamp-house are taking place are taking place a huge change. LED, LDs lamp-house has entered into market of experiment for high illuminant efficiency, small volume，long life and low price, it will replace traditional lamp-house. The article introduce characteristic of Semiconductor lamp-house, and then we discuss the application in experiment scopes.

Key wordsLED；LD；lamp-house of gas；lamp-house of solid

Authors address

1 Hebei Normal University, Shijiazhuang, 050016

2 Shijiazhuang University, Shijiazhuang, 050035

物理實(shí)驗(yàn)中采用的白熾燈、納光燈、低壓汞燈和氦氖激光器等傳統(tǒng)氣體光源[1]，通常采用鎮(zhèn)流器或變壓器及倍壓電路來(lái)控制真空器件發(fā)光，光源不僅體積大，而且發(fā)光效率低，壽命短，價(jià)格貴。

隨著半導(dǎo)體LED（ Light Emitting Diode 發(fā)光二極管）、LD（Laser Diode激光二極管）技術(shù)的飛速發(fā)展，由LED、LD組成的半導(dǎo)體光源，功能上不僅完全可以取代傳統(tǒng)氣體光源，構(gòu)成點(diǎn)光源、線光源、面光源、漫反射光源、平行光源和頻閃光源。而且，由于半導(dǎo)體光源構(gòu)造的特殊性，其實(shí)驗(yàn)效果更優(yōu)于傳統(tǒng)的氣體光源。半導(dǎo)體光源還有體積小，發(fā)光效率高，壽命長(zhǎng)，價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。下面筆者就LED、LD半導(dǎo)體光源取代氣體光源進(jìn)行探討。

1 點(diǎn)光源和平行光源

LED包括了紅、橙、黃、綠、藍(lán)及白等多種顏色，LED、LD都有一個(gè)相對(duì)光強(qiáng)度最大處，與之對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)叫峰值波長(zhǎng)，用λp表示。

LED的光譜分布[2]：1）藍(lán)色I(xiàn)nGaN、GaN材料，λp=460 nm～465 nm；2）綠色GaPN材料，λp=550 nm；3）黃色 LnGaN、Gap材料，λp=570 nm～590 nm；4）紅色 GaPZn-O材料，λp= 680 nm～700 nm。

LD 光譜的峰值波長(zhǎng)為650 nm 。

從LED、LD的峰值波長(zhǎng)范圍，可以看出它們具有非常好的單色性。LED、LD作為單色光源，完全可以滿足干涉、衍射等物理實(shí)驗(yàn)的要求。白色LED則可以代替白熾燈作復(fù)色光源。

1.1 點(diǎn)光源LED、LD的發(fā)光體——晶片的面積僅為10.12 mil（1 mil=0.0254 平方毫米），更接近于“點(diǎn)”，而且LD亮度很高，所以LED和LD更適合作點(diǎn)光源，實(shí)驗(yàn)效果遠(yuǎn)好于白熾燈[3-4]。

具體應(yīng)用時(shí)，還需對(duì)LED、LD做一些改造。生產(chǎn)廠家為了使光線更集中，用環(huán)氧樹脂封裝LED、LD時(shí)，在它的發(fā)光體——晶片前加裝了一個(gè)小凸透鏡。LED、LD作為點(diǎn)光源使用時(shí)，首先要小心地鋸掉這個(gè)小透鏡，露出晶片這個(gè)“點(diǎn)”，并輕輕將斷面打磨光滑，然后將LED、LD固定在一個(gè)支架上。再根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，構(gòu)建不同的電路，如圖1所示，這樣一個(gè)點(diǎn)光源就做好了。其中，電阻R₁=200 Ω，可變電阻R₂=1 K，電源電壓為3 V。調(diào)整可變電阻R₂改變通過(guò)LED、LD的電流，可以方便控制點(diǎn)光源的發(fā)光強(qiáng)度，以適應(yīng)不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境的需要，這也是傳統(tǒng)氣體光源做不到的。不同位置測(cè)量到LD光束的光強(qiáng)值見表1，從表中可以看出，去掉小透鏡后，光源完全可以滿足各種實(shí)驗(yàn)要求。

1.2 平行光源取一個(gè)凸透鏡，將上述點(diǎn)光源固定在透鏡焦點(diǎn)上，即組成一個(gè)平行光源。光束的直徑大小，可以通過(guò)換用不同焦距的透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)，以滿足不同實(shí)驗(yàn)的要求。焦距越長(zhǎng)，則光束的直徑越大。

還可以直接使用半導(dǎo)體LD激光器（鏡片和透鏡位置已調(diào)好），作為平行光源。測(cè)量標(biāo)稱值功率為1.5 mw～2 mw，工作電壓3ｖ的半導(dǎo)體LD激光器，出口處功率略大于2 mw，在距離出口1.5 m處激光功率仍保持在2 mw，完全達(dá)到了氦氖激光器光的輸出強(qiáng)度。但由于LD激光器使用的透鏡焦距很短，所以光束很細(xì)，通常可以使用擴(kuò)束器來(lái)擴(kuò)大光束直徑。

2 面光源和漫反射光源

2.1 面光源LED光色柔和，無(wú)眩光。目前國(guó)際上出現(xiàn)大晶片LED，晶片面積可達(dá)40 mil。取一塊30 mm×40 mm的電路板，為使光分布更均勻，選取多個(gè)“貼片式”大晶片LED[5]，并將它們集中安裝在一起，組成一個(gè)高密度陣列面，并將電路（圖2所示）的其他部分安裝完成。這就組成了一個(gè)極好的面光源。

由于光源的面積大，光強(qiáng)分布均勻，所以實(shí)驗(yàn)效果比傳統(tǒng)氣體光源要好的多。用LED作光源還有一個(gè)好處，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)要求，采用不同的封裝工藝，可以直接影響光的指向，能精確控制光型及發(fā)光角度[6]。

2.2 漫反射光源如果在LED陣列面前加一塊毛玻璃，既可得到一個(gè)漫反射光源，也可以直接將LED前小透鏡用砂紙磨毛，省去毛玻璃。另外，可以通過(guò)調(diào)整電路中的電壓，達(dá)到控制光源亮度的目的。電路中R₁=30 K；R₂=10 K；R₃=200 Ω；晶體三極管采用9013；電源電壓為6 V～12 V。

3 頻閃光源

頻閃光源通常用來(lái)拍攝運(yùn)動(dòng)物體，對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析[5，7-8]。LED、LD響應(yīng)速度很快，響應(yīng)時(shí)間從使用角度來(lái)看，就是LED、LD點(diǎn)亮與熄滅所延遲的時(shí)間。不同材料的LED響應(yīng)時(shí)間也有一定的差異，如GaAs、GaAsP、GaAlAs其響應(yīng)時(shí)間＜10-9 S，GaP為10-7 S[9]。因此它們可用在10 MHZ～100 MHZ高頻系統(tǒng)。利用LED極高的響應(yīng)速度，可制成非常好的頻閃光源，比現(xiàn)有舊式頻閃光源的體積小很多，而亮度更大?？梢宰龀砷W光燈式樣，與數(shù)碼照相機(jī)直接連接，用于教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)十分方便。由于LED、LD是低壓供電，使用時(shí)會(huì)更方便和安全。

將多個(gè)高亮度LED安裝在電路板上（電路如圖3所示），組成的一個(gè)發(fā)光陣列。利用低頻信號(hào)發(fā)生器作為電源，將這個(gè)發(fā)光陣列連接到其功率輸出端。調(diào)整信號(hào)發(fā)生器的頻率，即可改變光源的發(fā)光時(shí)間間隔，調(diào)整信號(hào)發(fā)生器的輸出功率，可以改變光源亮度。在暗背景下，打開頻閃光源，用數(shù)碼相機(jī)可以拍攝物體的運(yùn)動(dòng)軌跡（如自由落體、平拋等），并可以同時(shí)通過(guò)投影儀在大屏幕顯示軌跡圖像，使結(jié)果一目了然。如果需要更強(qiáng)的照明，可采用大功率LED（單個(gè)1 W以上），同時(shí)，也需在信號(hào)發(fā)生器輸出端新增一個(gè)功放電路，以提供足夠能量給LED組成發(fā)光陣列。

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