ＬＥＤ、ＬＤ光源在物理實驗中的應用嘗試

栗　蘋　張明軒

摘要 物理實驗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，它們統屬于氣體光源。近年來，LED、LD構成的半導體光源，在各個領域被廣泛應用。筆者對LED、LD光源在物理實驗中取代傳統的氣體光源進行探索和嘗試，并取得有益的經驗。實踐證明，由于LED、LD光源構造的特殊性，實驗效果往往更優于氣體光源。

關鍵詞 LED；LD；氣體光源；半導體光源

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：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

物理實驗中采用的白熾燈、納光燈、低壓汞燈和氦氖激光器等傳統氣體光源[1]，通常采用鎮流器或變壓器及倍壓電路來控制真空器件發光，光源不僅體積大，而且發光效率低，壽命短，價格貴。

隨著半導體LED（ Light Emitting Diode 發光二極管）、LD（Laser Diode激光二極管）技術的飛速發展，由LED、LD組成的半導體光源，功能上不僅完全可以取代傳統氣體光源，構成點光源、線光源、面光源、漫反射光源、平行光源和頻閃光源。而且，由于半導體光源構造的特殊性，其實驗效果更優于傳統的氣體光源。半導體光源還有體積小，發光效率高，壽命長，價格低等優點。下面筆者就LED、LD半導體光源取代氣體光源進行探討。

1 點光源和平行光源

LED包括了紅、橙、黃、綠、藍及白等多種顏色，LED、LD都有一個相對光強度最大處，與之對應的波長叫峰值波長，用λp表示。

LED的光譜分布[2]：1）藍色InGaN、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 光譜的峰值波長為650 nm 。

從LED、LD的峰值波長范圍，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、衍射等物理實驗的要求。白色LED則可以代替白熾燈作復色光源。

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

具體應用時，還需對LED、LD做一些改造。生產廠家為了使光線更集中，用環氧樹脂封裝LED、LD時，在它的發光體——晶片前加裝了一個小凸透鏡。LED、LD作為點光源使用時，首先要小心地鋸掉這個小透鏡，露出晶片這個“點”，并輕輕將斷面打磨光滑，然后將LED、LD固定在一個支架上。再根據實驗需要，構建不同的電路，如圖1所示，這樣一個點光源就做好了。其中，電阻R₁=200 Ω，可變電阻R₂=1 K，電源電壓為3 V。調整可變電阻R₂改變通過LED、LD的電流，可以方便控制點光源的發光強度，以適應不同實驗環境的需要，這也是傳統氣體光源做不到的。不同位置測量到LD光束的光強值見表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驗要求。

1.2 平行光源取一個凸透鏡，將上述點光源固定在透鏡焦點上，即組成一個平行光源。光束的直徑大小，可以通過換用不同焦距的透鏡來實現，以滿足不同實驗的要求。焦距越長，則光束的直徑越大。

還可以直接使用半導體LD激光器（鏡片和透鏡位置已調好），作為平行光源。測量標稱值功率為1.5 mw～2 mw，工作電壓3ｖ的半導體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，完全達到了氦氖激光器光的輸出強度。但由于LD激光器使用的透鏡焦距很短，所以光束很細，通常可以使用擴束器來擴大光束直徑。

2 面光源和漫反射光源

2.1 面光源LED光色柔和，無眩光。目前國際上出現大晶片LED，晶片面積可達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“貼片式”大晶片LED[5]，并將它們集中安裝在一起，組成一個高密度陣列面，并將電路（圖2所示）的其他部分安裝完成。這就組成了一個極好的面光源。

由于光源的面積大，光強分布均勻，所以實驗效果比傳統氣體光源要好的多。用LED作光源還有一個好處，根據不同的實驗要求，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，可以通過調整電路中的電壓，達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

頻閃光源通常用來拍攝運動物體，對其運動軌跡進行分析[5，7-8]。LED、LD響應速度很快，響應時間從使用角度來看，就是LED、LD點亮與熄滅所延遲的時間。不同材料的LED響應時間也有一定的差異，如GaAs、GaAsP、GaAlAs其響應時間＜10-9 S，GaP為10-7 S[9]。因此它們可用在10 MHZ～100 MHZ高頻系統。利用LED極高的響應速度，可制成非常好的頻閃光源，比現有舊式頻閃光源的體積小很多，而亮度更大。可以做成閃光燈式樣，與數碼照相機直接連接，用于教學演示實驗十分方便。由于LED、LD是低壓供電，使用時會更方便和安全。

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

參考文獻

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[2]鄧劍平,馬鴻洋.高亮度LED在物理實驗中的應用[J].實驗室研究與探索,2003,22(03)

[3]Hariharn P.Optical Holography[M].Cambridge: The Press Syndicate of the University,1984

[4]孫紹伍,郭赫,孫立勇.LED在物理演示實驗中的應用[J].大學物理實驗,2006(03):106-110

[5]侯建國,陳鳴.高亮度白光發光二極管發光特性的研究[J].光源與照明,2006(02)

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[7]沈元華,陸申花.基礎物理實驗[M].高等教育出版社,2005

[8]李平.大學物理實驗教程[M].北京:機械工業出版社,2003

[9]鄧云龍,廖常俊.高p型摻雜對高亮度發光二極管的作用[J].半導體技術,2002,27(04)