稀土彩色日光燈在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

王 鋼，馮饒慧，崔新圖，廖德駒，程 昌

(中山大學(xué) 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510275)

1 引 言

光源的光譜波長測量是基礎(chǔ)物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)中一個(gè)重要內(nèi)容[1-2]. 基礎(chǔ)光學(xué)實(shí)驗(yàn)通常測量汞燈和鈉燈的譜線波長，由于波長已知，故屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，不利于學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力及創(chuàng)新技能的培養(yǎng). 稀土彩色日光燈同普通日光燈一樣，都是基于氣體電離發(fā)光后激發(fā)熒光粉發(fā)光，其光譜同熒光粉和稀有金屬的成分有關(guān). 測量稀土彩色日光燈的光譜對低年級學(xué)生來說是探索性實(shí)驗(yàn)，能真實(shí)反映學(xué)生的測量水平和操作的嚴(yán)謹(jǐn)性. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)可先采用光柵與分光計(jì)測量彩色日光燈的未知光譜，再與光柵光譜儀的結(jié)果對照.

用邁克耳孫干涉儀觀察白光干涉是基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[1-2]. 因?yàn)殇彐u燈發(fā)出的白光的相干長度很短，僅有十幾個(gè)μm，因此只有在接近零光程附近才能觀察到白光干涉，對干涉儀的調(diào)節(jié)精度要求高，操作難度大，學(xué)生實(shí)驗(yàn)常以失敗告終. 若改用黃色日光燈，其相干長度提高30倍左右，實(shí)驗(yàn)效率大為提高. 另外，黃色日光燈譜線包含了2條較窄的紅綠譜線，可以用邁克耳孫干涉儀完成紅綠譜線的波長差測量實(shí)驗(yàn).

2 彩色日光燈的光譜測量

2.1 光柵和分光計(jì)測量彩色日光燈光譜

平行光束投射于光柵，在各透光狹縫上發(fā)生衍射. 設(shè)光柵常量為d，光柵密度n=1/d，用透鏡把與光柵法線成一定角度(衍射角φ)的光線聚集起來. 由于光程差Δ不同，光線就會(huì)在透鏡的主焦面上相互疊加而發(fā)生干涉[1-2].

根據(jù)干涉理論，當(dāng)衍射角φ滿足

dsinφ=Kλ,

(1)

光就會(huì)加強(qiáng)，其他方向則因干涉而抵消[3]. 式中K是光譜級數(shù). 用分光計(jì)測出各譜線的衍射角，由(1)式便可求得波長. 用300 mm-1的光柵測量黃色日光燈譜線波長. 本實(shí)驗(yàn)中僅對1級光譜進(jìn)行測量并分析，結(jié)果見表1. 本實(shí)驗(yàn)所采用的日光燈是不亮?xí)r光管也顯彩色的稀土材料日光燈.

表1 黃色日光燈1級光譜衍射角及波長

2.2 光柵光譜儀實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1和圖2是用WGD-6型光學(xué)多通道分析器(光柵光譜儀)得到的黃色和綠色日光燈光譜. 從圖1可看出，黃色日光燈的光譜接近線狀譜，且譜線較窄，與表1所測得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，誤差較小. 圖2的綠色日光燈光譜有譜帶出現(xiàn)，各譜線之間光強(qiáng)相差很大. 從兩日光燈的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，黃色日光燈光譜分立性較好，適宜用光柵結(jié)合分光計(jì)觀察其光譜特性.

圖1 黃色日光燈光譜

圖2 綠色日光燈光譜

3 黃色日光燈在邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的邁克耳孫白光干涉實(shí)驗(yàn)中[4-5]，溴鎢燈的相干長度約為13 μm. 為了觀察到白光干涉現(xiàn)象，需要仔細(xì)調(diào)節(jié)兩光路使其光程差接近零值，調(diào)節(jié)難度大，耗時(shí)長. 由上述彩色日光燈光譜測量實(shí)驗(yàn)，可以看出其光譜比較豐富，特別是黃色日光燈包含了寬度較窄的紅色和綠色光譜線，可用于取代其他光源做白光干涉實(shí)驗(yàn)，干涉圖樣如圖3所示，實(shí)驗(yàn)測出其相干長度達(dá)到0.4 mm，是溴鎢燈的30倍，可有效縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間.

圖3 黃色日光燈的邁克耳孫干涉條紋

另外由圖1可以看出，黃色日光燈的紅色和綠色光譜成分能量較強(qiáng)，對可見光光譜段各色光所占面積進(jìn)行積分可得紅光能量占52%，綠光能量占27%，本底輻射和其他光能量占21%，如圖4所示，故黃色日光燈發(fā)出的黃光可以看作是由紅光和綠光組成的.

圖4 黃色日光燈各顏色能量比例圖

基于黃色日光燈光譜線的特點(diǎn)，把這種光源應(yīng)用在邁克耳孫干涉儀測量波長差的實(shí)驗(yàn)中. 由于黃色日光燈主要是由紅光和綠光組成的，所以會(huì)出現(xiàn)紅、綠2套干涉條紋，隨著干涉儀動(dòng)鏡的移動(dòng)，干涉圖樣會(huì)出現(xiàn)紅、綠2套干涉條紋重疊-分立-重疊的周期性變化. 紅、綠光的波長差為[3]

其中λ1和λ2分別為紅、綠光的中心波長，ΔL為干涉條紋從重疊-分立-重疊變化周期內(nèi)動(dòng)鏡的位移變量[3]. 測量結(jié)果如表2所示. 本實(shí)驗(yàn)采用SGM-3型精密邁克耳孫干涉儀，精密測微頭的位移大小是干涉儀動(dòng)鏡位移大小的40倍.

表2 變化周期測微頭讀數(shù)

用逐差法對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行處理. 求出每相鄰視見度為最高時(shí),測微頭讀數(shù)差值的平均值為

故每相鄰重疊度為最高時(shí)，動(dòng)鏡移動(dòng)的距離為

與用邁克耳孫干涉儀測量的結(jié)果對比，相對偏差僅為0.18%.

4 結(jié)束語

稀土彩色日光燈的發(fā)光特點(diǎn)是譜線豐富，部分譜線分立性較好，可以應(yīng)用于光柵和分光計(jì)光譜測量實(shí)驗(yàn)中. 另外，黃色日光燈所發(fā)出的黃光主要由紅色和綠色2種顏色光組成，可以應(yīng)用在邁克耳孫干涉儀測量波長差的實(shí)驗(yàn)中. 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，在基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)中，用成本低廉的日光燈代替鈉燈、溴鎢燈等光源完成實(shí)驗(yàn)具有一定的可行性. 雖然不同日光燈的熒光光譜特性會(huì)有所不同，且會(huì)隨著使用時(shí)間而發(fā)生變化，但不影響學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對實(shí)驗(yàn)原理的理解以及實(shí)驗(yàn)技能的掌握.

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