大學物理實驗室常用光源淺析

王浩

摘要：光源是光學實驗中不可缺少的重要組成部分。對于不同的觀測目的，常需要選擇合適的光源。如在干涉測量技術中，一般應使用單色光源，而在白光干涉時，又需要能譜連續(xù)的光源（白熾燈）。在一些實驗中，對光源的尺寸大小，還有點、線、面等方面的要求。本文主要介紹實驗室?guī)追N常用光源，包括白熾燈、鈉光燈、汞燈、激光器等等。

關鍵詞：實驗室；光源；白熾燈；鈉光燈；汞燈；激光器

引言

大學物理實驗是高等理工科院校的基礎必修課程，而光學實驗是大學物理實驗中占比重很大的一類實驗課。在光學實驗中，光源是最重要的儀器之一，光源的選擇包括尺寸，形狀、顏色等諸多方面。光源分自然光源和人造光源，本文主要就人造光源進行淺析。

1白熾燈

白熾燈（incandescent lamp）是一種透過通電，利用電阻把幼細絲線（現(xiàn)代通常為鎢絲）加熱至白熾，用來發(fā)光的燈。電燈泡外圍由玻璃制造，把燈絲保持在真空，或低壓的惰性氣體之下，作用是防止燈絲在高溫之下氧化。照明中的小電蛛，鎢絲強光燈，瑪瑙燈和溴鎢燈等，它們都以鎢絲作為發(fā)光物體，光譜分布曲線與鎢絲的溫度有關。與一般民用的白熾燈相比，光學實驗中的燈泡燈絲較短，發(fā)光面集中，發(fā)光效率高，符合高亮度、小尺寸的要求。在使用時，由于各類燈泡正常發(fā)光所需要加上的工作電壓各不相同，點燃時的強度也有高低，故應注意供電電壓必須與燈泡上標注的值相等，否則會發(fā)生燒毀或亮度不足，嚴重者甚至出現(xiàn)爆炸事故，碘鎢燈和溴鎢燈（統(tǒng)稱為鹵素燈），除工作電壓外，還需考慮電源的功率。鹵素燈（Halogen lamp）是白熾燈的一種。原理是在燈泡內(nèi)注入碘或溴等鹵素氣體。在高溫下，蒸發(fā)的鎢絲與鹵素進行化學作用，蒸發(fā)的鎢會重新凝固在鎢絲上，形成平衡的循環(huán)，避免鎢絲過早斷裂。因此鹵素燈泡比白熾燈更長壽。此外，鹵素燈泡亦能以比一般白熾燈更高的溫度運作，它們的亮度及效率亦更高。不過在這溫度下，普通玻璃可能會軟化。因此鹵素燈泡需要采用熔點更高的熔凝石英或硬的玻璃。而由于石英玻璃不能阻隔紫外線，故此鹵素燈泡通常都而需要另外使用紫外線濾鏡[1]。

2鈉光燈

鈉光燈（sodium lamp）是實驗室中最常用的單色光源，它是一種以金屬鈉（Na）蒸汽在強電場中所發(fā)生的游離放電現(xiàn)象為基礎的弧光放電燈，是氣體放電燈的一種。鈉光燈的燈管內(nèi)也會充填汞和稀有氣體，但實際上起作用的是鈉蒸氣。

根據(jù)填充的鈉蒸氣的壓力，鈉光燈又可分為低壓和高壓兩種。低壓鈉燈在額定供電電壓下工作時其電弧管內(nèi)的蒸汽壓為0.7～1.5帕，光近乎單色，鈉光燈發(fā)出的光波長集中在580納米和589.6納米（具體應用時，由于這兩種單色黃紅光波長較接近，一般不易區(qū)分，故以它們的平均值，589.30納米作為鈉黃光的波長值），對人眼較敏感的黃光區(qū)域，所以發(fā)光效率高達150流明/瓦以上，但顯色性太差，只應用于不需分辨顏色的實驗中。另外一種是高壓鈉燈，其原理是提高鈉的蒸汽壓，并加入少量汞，光線的譜線更寬，所以顯色性比低壓鈉燈好，色溫為2100開，光效為72～130帕流/瓦，應用十分廣泛，也是道路照明的主要光源。

3水銀燈

水銀燈（quicksilver lamp）和鈉光燈一樣，它的工作原理是以金屬蒸氣，在強電場中所發(fā)生的游離放電現(xiàn)象為基礎的弧光放電燈。汞燈燈管用耐熱玻璃制成，兩端裝有電極；制造時抽去空氣，充入水銀和少量氬氣；通電后水銀蒸發(fā)，受電子激發(fā)而發(fā)光。水銀燈被點燃在穩(wěn)定時發(fā)出紫色光，其中主要包括五種單色光，在可見光范圍內(nèi)的光譜線成分是幾條分離的強譜線，下表列出了3種光源發(fā)出的光波長（表3-1）。

表3-1三種光源輻射波長

光源 輻射波長（單位nm）

鈉光燈 589.59、589.00

水銀燈（汞燈） 621.35、579.07、576.96、546.07、491.60、435.83、404.68、305.62

氦氖激光器 632.80

水銀燈又叫汞燈，汞燈又叫水銀燈，它的譜線在可見區(qū)主要集中于四組：黃色的：577.0nm與579.1nm，綠色的：546.1nm，蘭色的：435.8nm，紫色的：404.7nm與407.8nm[2]。 按它工作室汞蒸氣的高低分為低壓、高壓和超高壓汞燈3種。汞蒸氣在一個大氣壓下的汞燈稱為低壓汞燈，它輻射的能量幾乎全部集中在253.7納米這一譜線上，只能做紫外光源用。因為增加汞蒸氣能提高汞燈的發(fā)光效率，從而提高亮度，因此，高壓汞燈的蒸氣壓一般為幾個到幾十個大氣壓，高壓水銀燈發(fā)光效率高，使用壽命長，但紫外光多、紅光少，可用作曬圖機的光源。25個大氣壓以上的汞燈稱為超高壓汞燈，超高壓水銀燈是一種點光源，用于光學儀器。高壓汞燈從啟動到正常工作需要一段預熱時間，點燃時間通常約為5分鐘-10分鐘。高壓汞燈熄滅后不能立刻啟動，因為它在熄滅后管內(nèi)還保持著較高的汞蒸氣壓，要燈管冷卻使汞蒸氣凝結(jié)后才能再次點燃。冷卻時間約為5分鐘-10分鐘，為了克服氣體弧光放電過程中的負電阻效應，要求在電路中接入一定阻抗來限制電流，避免燈管燒壞，使燈管穩(wěn)定工作。

一般地，在220伏交流電源與燈管的電路中串入一個扼流圈來鎮(zhèn)流，不同的汞燈，電流的額定值不同，所需要的扼流圈的規(guī)格也有差異，因此彼此之間不能相互使用，汞燈輻射紫外線較強，不能直接注視汞燈，以防眼睛灼傷。

4激光器

激光器（Laser）是一種新發(fā)展起來的單色光源。它利用受激輻射的原理，使得光在某些受激發(fā)的工作物質(zhì)中放大或振蕩發(fā)射激光（laser）的器件。根據(jù)產(chǎn)生激光的媒質(zhì)，可以把激光器分為液體激光器、氣體激光器和固體激光器等。工作物質(zhì)有：固體（紅寶石、釹玻璃、釓鋁石等），氣體（氦氖氫、二氧化碳），半導體和液體等。激光是一種亮度較高，單色性方向性極好，空間相干和時間性都很高的光。實驗室中常用的是氦氖激光器，它是最重要的紅光放射源，其輸出的波長公認值為632.8納米，是橙紅色的偏振光，輸出激光功率為幾個毫瓦到幾十個毫瓦。激光管兩端是由多層介質(zhì)所組成的光學諧振腔，它是激光器的重要部分，使用時必須保持清潔，防止灰塵和油污的污染，點燃時嚴格按照說明書要求控制輝光電流的范圍。不得超過額定值，低于閥值則激光器易于閃爍或熄滅。由于激光管兩端加有高壓（約1500伏到8000伏之間），操作時應防觸及造成電擊事故。在光學實驗中，可以利用各種光學元件將激光管射出的激光束進行分束、擴束或改變激光束的方向，以滿足不同實驗的要求。

5其他光源

除了以上光源，還有以下常用光源。氫燈（hydrogen lamp），是一種充有高純氫氣，能輻射出氫特征譜線的冷陰極輝光放電燈。波長為656.279nm，486.133nm，434.047nm，410.174nm，其譜線可用于波長定標，廣泛用于大學物理實驗室，是氫光譜實驗的必備光源。其電源電壓為220伏，起輝電壓<4伏，工作電流4.98-5.02毫安。氫燈與高壓電源連接時電壓極性一定要正確：氫燈的插頭與高壓電源對應顏色的插座相連（紅對紅、黑對黑）切勿接反，否則會損壞氫燈燈管。氦燈（helium lamp）也是一種充有高純氦氣，能輻射出氦特征譜線的冷陰極輝光放電燈，波長706.5nm和 587.6nm。氦燈放電管內(nèi)充有高純度氦，燈帶有能加大貯氣體積的附加部分，以維持恒定的氣壓，從而使放電比較穩(wěn)定。放電部分制成內(nèi)徑為2～3mm的毛細管，以使輻射光度集中。

6結(jié)語

實驗室光源是光學實驗中重要的組成部分，在實驗前應當熟悉儀器的操作和保養(yǎng)規(guī)范，正確地使用各種實驗光源。由于有些光源工作時電壓高、光亮度強，具備較大的危險性，所以一定要規(guī)范操作，避免危害到自身安全和損壞儀器。

參考文獻：

[1] 蘇大生.光學實驗現(xiàn)象與儀器的調(diào)節(jié)[J]. 泉州師范學院學報.2005（04）

[2] 馬葭生，宦強主編.大學物理實驗[M]. 華東師范大學出版社， 1998