應用于大場景光學演示實驗的高亮度白光光源制作

張海君，張瑞明，穆良柱

（北京大學物理學院，北京100871）

1 引 言

演示實驗是在課堂上進行的與講授內容密切配合的實驗，它主要由教師操作給學生觀看，可以起到激發學生的學習興趣、促進思考、加深理解的作用.演示實驗要求裝置簡單，主題突出，操作簡便，效果直觀、形象，并富于啟發性[1].亮度高、色譜豐富、裝置簡單的白光光源可以改善物理演示實驗的課堂效果.現有的白光光源主要有白熾燈和高壓汞燈[2]，這給物理演示實驗教學帶來一定的不便：1）光功率小，需要在暗視條件下進行教學；2）出射光功率利用效率不高，致使大部分出射光被白白浪費掉；3）裝置復雜，價格較高.如果采用超高壓汞燈作為白光光源，同時采用反光杯等光學裝置，就可以滿足大場景明視條件下牛頓環干涉、光柵衍射等光學現象的課堂演示教學要求，下面介紹這種高亮度白光光源系統.

2 光源系統結構

高亮度白光光源系統結構簡單，主要包括燈芯、反光杯、散熱風扇、驅動電源和機箱5部分，裝置如圖1所示.

2.1 燈芯

圖1 光源系統結構示意圖

燈芯采用超高壓汞燈[3]，該產品的優勢主要體現在亮度高、壽命長和具有穩定的顏色光譜性能.普通高壓汞燈的汞蒸氣工作壓力僅為幾百kPa，以輻射線光譜為主，而且需要通過熒光粉將紫外輻射轉換成可見光，顯色性差，光效低.超高壓汞燈的汞蒸氣工作壓力為20MPa左右，由于可見光輻射增強，譜線展寬和汞分子連續譜線的作用，光效和顯色性都有極大的提高.燈芯的平均亮度高達1Gcd／m2，并擁有較長的使用壽命，可達3 000～10 000h.使用壽命期間，超高壓汞燈擁有非常穩定的顏色光譜性能.

2.2 反光杯

為提高燈芯出射光的利用率，將超高壓汞燈燈芯精確定焦粘接在內部鍍有耐高溫膜的反光杯內，并在反光杯口部粘接一片兩面鍍耐高溫透光膜的玻璃板.反光杯內部所鍍的這層耐高溫膜對可見光具有高反射率，對紅外、紫外光線具有高透射率，并且壽命長.反光杯的主要功能是將燈芯放射的光經過反射、聚光處理使其變成近似平行光出射到光路系統，從而避免浪費近75%的出射光；同時也可將不需要的紅外、紫外光線進行吸收衰減，降低出射光束溫度.玻璃板具有防爆、隔熱的功效，而且吸收紫外線，對可見光的透過率大于99%.

2.3 散熱風扇

盡管反光杯和玻璃板都采用了耐高溫材料，超高壓汞燈點燃過程中所發射出的熱量還是不容忽視的.為了提高散熱效率，在儀器設計中加入了2個散熱風扇，其中功率大的散熱風扇置于反光杯的正上方，功率較小的散熱風扇置于驅動電源的一側，并且電路設計中采用汞燈停止工作時，散熱風扇繼續工作的方式.儀器連續點燃1h，仍正常工作，并且儀器外殼無燙熱.

2.4 工作電源

超高壓汞燈采用特殊形狀的脈沖電流作為驅動，以保持電弧穩定發光和電極的穩定性.配套電子鎮流器輸出功率穩定，使燈的性能更加完美.

2.5 機箱

采用優質鋁型材制作的機箱，前后面板分別加工制作光出射孔和散熱孔；并且整體只設計1個按鍵式開關，操作簡便.

3 牛頓環干涉實驗

借助于自制的高亮度白光光源，牛頓環干涉實驗的課堂演示操作變得非常簡單.將白光光源照明牛頓環，反射光（或透射光）經透鏡成像于屏幕上，即可以觀察到1組同心圓環形的彩色等厚干涉條紋.調節牛頓環元件上的螺絲，可觀察到彩色牛頓環圓心的移動或者圓形干涉條紋的擴展和收縮.沿光軸方向向前或向后移動透鏡，可觀察到牛頓環由清晰變模糊甚至消失.實驗獲得到的牛頓環圖樣如圖2所示，演示圖樣清晰.該方法極大地激發學生的學習興趣.

圖2 牛頓環干涉花樣

4 光柵衍射實驗

高亮度白光光源在光柵衍射實驗中也具有很好的演示效果.為了更好地觀測光柵的分光作用，應當采用線光源照射光柵.超高壓汞燈的出射光經過反光杯的反射、聚光，再經過玻璃板的過濾，近似為一平行面光源，所以需要通過單縫將其改造為線光源.設計中采用縫寬1mm的單縫.

光柵的衍射屬于夫瑯禾費衍射.實現夫瑯禾費衍射的光路如圖3所示[1，4]：用1個透鏡將光源成像于幕上，在透鏡和幕之間插入衍射屏，幕上亦可近似地得到衍射屏的夫瑯禾費衍射圖樣.該光路所需要的光學元件較少，調節方便，改變衍射屏和幕之間的距離即改變了色散.

圖3 透射光柵衍射實驗

做透射光柵和閃耀光柵演示實驗，得到的透射光柵光譜圖樣如圖4所示，衍射花樣亮度飽滿，而且譜線色彩豐富.

圖4 透射光柵衍射花樣

5 結束語

采用超高壓汞燈作為燈芯，運用反光杯提高出射光的利用率，從而使本光源系統具有亮度高、光效高、色譜豐富、裝置簡單、價格低廉的優點.用于牛頓環干涉實驗和光柵衍射實驗具有很好的課堂演示效果，另將其拓展應用于布儒斯特角實驗和顯色偏振實驗，演示效果也非常直觀、形象.該儀器于2009年8月獲得“第9屆全國高等學校物理演示實驗教學研討會”儀器評選一等獎.

[1] 陳熙謀.物理演示實驗[M].北京：高等教育出版社，1982：1，280－281.

[2] 蘇小華，張加深.幾種常見光源特性的研究[J].大學物理實驗，2003，16（1）：52－54.

[3] 陳忠，陸軍民.飛利浦UHP投影光源的新發展[J].現代顯示，2003（3）：26－28.

[4] 鐘錫華.像面衍射場系夫瑯禾費衍射[J].大學物理，2008，27（1）：1－4.