光路的熒光法顯示

錢懿華 劉爭暉 羅曉琴 戴永豐*

(1. 蘇州大學東吳學院,江蘇 蘇州 215006; 2. 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所,江蘇 蘇州 215123)

光學實驗中光路不易顯現．難于將光路圖與實驗中不易顯現的光路聯系是不少學習者的困擾．而光學實驗中,僅根據光斑或像等調整光路,同樣存在不直觀的問題.在使用激光的實驗中激光或其反射光直射實驗操作者的眼睛時,可能導致安全事故．目前常用方法采用煙或霧或懸濁液的Mie散射和大顆粒反射,并不便捷,因而限制了在實踐中應用范圍．[1-4]熒光方式檢測大氣SO2濃度已有成熟技術,[5，6]本文考慮將熒光顯現的方法用于可見光光路和紫外激光光路在可見光波段顯示．

光在通過介質時,發生散射和反射,就會向光路之外的觀察者顯示光路．光遇到小顆粒物質會發生Rayleigh散射,比如納米尺寸的O2分子,而在遇到稍大一些的顆粒時會發生Mie散射,比如大小與光的波長相近或稍大的顆粒,再大的顆粒則發射反射,從Rayleigh散射到Mie散射是連續的,眾所周知的丁達爾效應屬于Mie散射．現有顯示光路方法是Rayleigh散射、Mie散射和大顆粒雜質的反射并存,其中以Mie散射和大顆粒雜質的反射的貢獻為主,Raman散射強度遠小于Mie散射和Rayleigh散射,可不予考慮．為了制造達到Mie散射和大顆粒雜質的反射的效果,煙的方案需要點火、有氣味,不是在教室或實驗室最宜采用的方案;[1，2]霧的方案采用了超聲波霧化水的方式,適宜顯現空氣中的光路,適宜教學,在部分實驗室不適宜采用;[3]懸浮液的方案采用了在水中稀釋牛奶的方式,適合顯現液體中的光路,由于存在吸收、牛奶混合不均勻及有大顆粒的大量存在,顯現光路時往往距離不長,適宜在教室中演示,在部分實驗室不適宜采用．[4]以上方式均需要做專門準備,不便捷,而導致使用率不高,并且光路散射的光強也不夠．比如在光柵衍射中,高級次衍射光就比較難顯示光路．

熒光屬于光致發光的冷發光現象,吸收短波長的光發射長波長的光,能量大的光子激發出能量較低的光子．分子吸收光子從基態進入激發態,激發態分子不穩定,會很快向基態躍遷,分子中受到激發的電子會以輻射躍遷和無輻射躍遷的方式釋放多余能量．其中,輻射躍遷部分會以熒光方式輻射,部分以磷光方式輻射;而無輻射的躍遷形式是以熱輻射形式放出多余能量．

使用熒光物質顯示光路可以用可見光中的短波光作為激發光,也可以用紫外光作為激發光,在可見光波段產生的熒光向光路以外的方向輻射即可顯示光路,是一種通過“點亮”熒光物質顯示光路的方式．如采用白光,因其中亦包含可激發熒光的激發光而同樣有效．加入的熒光物質也存在顆粒物、膠體等,同時也包含了Mie散射和大顆粒物質的反射．

圖1—4展示了用熒光素鈉水溶液顯現光路,光從右方照過來,從右向左依次是空氣、自來水、和熒光素鈉水溶液,以作對比．圖1采用了波長405 nm的紫色激光，圖2采用了波長532 nm的綠色激光．兩者都產生了明顯的熒光,空氣中的散射相對很弱,自來水中的散射也顯示了光路,強度明顯小于熒光顯示光路．圖3采用了功率較小的波長650 nm的紅色激光,以模擬背景光較強或光源不亮的場合,在溶液中并未發生熒光,但是熒光物質的膠體和顆粒起到了散射的效果,也起到了明顯強于自來水的光路顯示效果．圖4采用了白色平行光,白光中部分短波激發了熒光,同時各種波長的成分都發生了散射,圓柱形的光路顯示效果良好．

圖1 顯現紫激光光路的對比

圖2 顯現綠激光光路的對比

圖3 顯現紅激光光路的對比

圖4 顯現白色平行光光路的對比

教室中的演示實驗光源往往是可見光,實驗室需要在可見光段和紫外段顯示光路便于調節．把紫外光作為激發光的熒光物質可選擇的范圍較大．考慮便捷和安全,這里可以推薦幾種熒光物質．釔鋁石榴石(YAG)系列熒光粉,依摻雜成分不同激發波長450-470 nm,發射波長500-580 nm,通常為黃色或淡黃色粉末,耐水、耐酸堿,無毒,適合與樹脂等作封裝,通常用在藍光LED上,通過熒光產生黃光,給人以白光的色感．熒光素鈉,橙紅色粉末,無氣味,有吸濕性,易溶于水,溶液呈黃紅色,適宜的激發波長為492 nm發射波長為513 nm．熒光素鈉注射液適用于診斷性眼底和虹膜血管的熒光素血管造影檢查,生物安全性高．熒光素鈉亦可用于水體的污染物檢測．[7]羅丹明B,易溶于水、乙醇,微溶于丙酮、氯仿、鹽酸和氫氧化鈉溶液,水溶液為桃紅色溶液,適宜的激發波長為554 nm發射波長為610 nm．在化妝品工業中,羅丹明B可用于浴液、洗發水、冷燙水等類產品的著色,但不得用于眼部、口腔及唇部化妝品中．羅丹明B激發波長較長,可在實驗室符合安全條件下使用．奎寧,著名的抗瘧疾藥,也是最早發現的熒光物質之一,適宜的激發波長為350 nm發射波長為448 nm,適用于紫外段的光路顯示．

生活中熒光筆是常見的學習用品,出于書寫的需求,熒光筆的液體多為油溶性,但是將熒光筆在水中攪動幾下即可有熒光物質進入水中,再攪勻之后即可形成懸濁液．有些熒光物質既是油溶性又是水溶性,也會有部分溶解水中,形成溶液、膠體、懸濁液并存狀態．此外還有水中的其它雜質,往往出現熒光的同時伴有少量Mie散射、Rayleigh散射和大顆粒雜質的反射,光路顯示出來．熒光筆的物質加入水中是比較方便的顯現光路的方式,以盛水小容器在光路各部分游走顯示光路,明亮、清晰、直觀,便于臨時使用．

采用固化后呈透明的樹脂可制作包含熒光物質的光路顯示固體,更適合長期使用．

圖5展示了小學科學課、中學物理課都作為重點的折射、反射問題,教學中不能直接顯示光路影響了部分學生的理解．盒中下半部分采用固化的樹脂,樹脂中均勻的散布了熒光素鈉,盒中上半部分是熒光素鈉水溶液．光源采用405 nm的紫激光．圖5中可以清晰的看到在水溶液和樹脂的界面上有反射光和折射光,反射光上行至水溶液和空氣的界面后還能看到弱的反射光,折射光在樹脂底面反射后在水溶液和樹脂的界面上折射進入水溶液．

光柵是大學物理理論課和實驗課的內容,往往采用打出光斑的方式展現,而光柵的衍射光呈現角分布才是直觀而本質的．在圖6中,光柵的衍射光從下方進入,可以看到比較弱的高級次的衍射光也被顯示出來,甚至更弱的反射光的光路也能顯示．

圖5 顯現折射反射光路

圖6 顯現光柵衍射光的光路

圖7是一種便捷的進一步增亮顯現光路的方法,在水中用不同顏色的熒光筆攪動,加入多種熒光物質,405 nm的紫激光穿透時可以顯示一條高亮光路．

圖7 多種熒光筆液制造的光路高亮顯現

圖8、圖9采用325 nm的紫外激光照射固化的樹脂塊．圖8采用的熒光物質是得力IS625型黃色熒光筆所含的熒光物質,圖9采用的熒光物質是熒光素鈉．兩者都可以顯示紫外光的光路,熒光物質轉換了原波長能量發出熒光和樹脂材料對紫外光的強烈吸收有效降低了穿透過樹脂塊的紫外光強度,顯示光路的同時防止了穿透樹脂塊之后的未知光路部分的危害．熒光樹脂塊達到了減小紫外激光實驗中潛在危害的效果．

圖8 紫外激光通過熒光樹脂塊

圖9 紫外激光通過熒光樹脂塊

圖10 紫激光通過熒光樹脂塊

圖11 紫激光通過熒光樹脂塊

圖10和圖11采用了405 nm紫激光穿過上述樹脂塊,固化樹脂塊更適宜長期使用．

以上實驗中,在水中或樹脂中添加熒光劑用量都很小．以水中加熒光劑為例,100 g的水中加入10 mg以下的熒光素鈉或熒光筆的熒光物質,在樹脂中也以相近比例少量添加熒光劑即可．注意加入后需要分散均勻．

用熒光顯示光路的方法,便捷、安全,適宜于教室和實驗室用,演示時直觀展現光路,打破教學時“想象”光路的困境,也有助于實驗室減小紫外光的潛在危害．