衍射光柵實驗光源的拓展研究

劉 浩(蘭州商學院 物理實驗室，甘肅 蘭州 730020)

節(jié)能燈是二十世紀八十年代發(fā)展起來的一種新型的通用照明光源，它和汞燈光譜中都含有汞原子標識譜線，同時節(jié)能燈具有價格便宜、紫外輻射少、光譜背景明亮等優(yōu)點。作者采用彩色節(jié)能燈替代汞燈光源進行光柵實驗，通過對比實驗數(shù)據(jù)及計算結(jié)果，探索了彩色節(jié)能燈替代汞燈光源進行光柵實驗的可行性。

1 實 驗

1.1 實驗原理

光柵是具有空間周期性結(jié)構(gòu)的衍射屏，物理實驗用光柵通常是由等間距透明與不透明條紋組成的一維光柵。根據(jù)夫瑯和費衍射理論，當波長為λ的平行光垂直投射到光柵上，通過每個狹縫的光都要產(chǎn)生衍射，若在光柵后面放置一會聚透鏡，所有衍射光通過透鏡后將相互干涉，所以光柵衍射條紋是單縫衍射和多縫干涉的總效果。在光線正入射的情況下：

式中d 為光柵常數(shù)，m 為衍射光譜的級數(shù)，φ 為第m 級譜線的衍射角，λ 為衍射光波波長。衍射光柵實驗用低壓汞燈作光源，它光譜中幾條明亮線分別為：404.66nm 藍紫色、435.83 nm 藍 色、546.07nm 綠 光、576.96 nm 黃 色、579.07nm 黃色。一般用546.07nm 綠色譜線作標識，計算光柵常數(shù)[1-2]。

1.2 汞燈的改造工作

汞燈由電源箱、燈管及燈架組成，由于工作電流大，低壓電源和燈管都比較容易燒壞，燈管、電源箱的價格高且配套性很強，給實驗儀器的采購及維護帶來了諸多不便。節(jié)能燈是日光燈的換代產(chǎn)品，其可見光是通過受激汞原子產(chǎn)生紫外線，紫外線撞擊玻璃燈管內(nèi)壁的熒光粉產(chǎn)生的[3]，受激汞原子也發(fā)出特定的可見光區(qū)譜線，所以它理論上可以作為低壓汞燈的替代光源。

采用彩色節(jié)能燈替代汞燈作為實驗光源時，節(jié)能燈的電子整流器取代了汞燈的低壓電源，直接接入220 伏交流電源，方便實驗操作及儀器日常維護，而且節(jié)能燈壽命長、耗能低。圖1 是彩色節(jié)能燈（右）和汞燈（左）的實物圖。

圖1 汞燈與彩色節(jié)能燈

2 測量結(jié)果與分析

2.1 利用汞燈光譜計算光柵常數(shù)

按衍射光柵實驗步驟調(diào)節(jié)分光計，先用汞燈做標準光源，實驗測量光柵一級衍射譜線偏轉(zhuǎn)角，所得數(shù)據(jù)記錄在表1 中。

將數(shù)據(jù)代入公式（1-1），波長l 取汞燈各譜線 標 準 值（579.07、576.96、546.07、491.6、435.84、407.78、404.66）[4]，計算出實驗用光柵的光柵常數(shù)等于1666.87nm（平均值），與生產(chǎn)廠家提供的光柵常數(shù)1666.66nm（600 線）基本吻合。

表1 低壓汞燈的測量數(shù)據(jù)

表2 紅色節(jié)能燈的測量數(shù)據(jù)

表3 藍色節(jié)能燈的測量數(shù)據(jù)

2.2 紅色節(jié)能燈衍射光譜測量

保持2.1 節(jié)實驗測量條件不變，用紅色節(jié)能燈替代汞燈，測量光柵衍射的一級衍射譜線，實驗數(shù)據(jù)如表2 所示。光柵常數(shù)取1666.66nm（600線），測量數(shù)據(jù)代入公式（1-1），計算出紅色節(jié)能燈的衍射標識譜線波長見表2。

表2 第一列的紅色譜線（611.72nm）不是汞原子的譜線，它是紅色節(jié)能燈發(fā)光材料—稀土銪激活氧化釔Y2O3：Eu 熒光粉—激發(fā)的譜線，氧化釔是最早開發(fā)的紅色發(fā)光材料，是三基色節(jié)能燈中用的最多、效率最高的紅色熒光粉[5]。

紅色節(jié)能燈的衍射光譜中，有一些紅紅、橙色分段光譜，是燈內(nèi)紫外線（254nm）輻射激發(fā)熒光粉的產(chǎn)物，它們使紅、黃色區(qū)背景明亮，方便了汞原子雙黃線附近的定位與測量，雖然降低了藍紫區(qū)491.6、404.66nm 兩譜線的能見度，但對總體測量影響不大。對比紅燈與汞燈兩種光源的譜線波長，基本處在誤差范圍之內(nèi)，符合光柵實驗光源要求。

2.3 藍色節(jié)能燈衍射光譜測量

保持2.1 節(jié)實驗測量條件，用藍色節(jié)能燈取代汞燈，移動望遠鏡十字叉絲位置，測量藍色節(jié)能燈一級衍射譜線，實驗數(shù)據(jù)如表3 所示。光柵常數(shù)取1666.66nm（600 線），將實驗數(shù)據(jù)代入公式（1-1），計算藍色節(jié)能燈標識譜線的波長見表3。

縱觀藍色節(jié)能燈的衍射譜線特征，它們在整個視野范圍內(nèi)明亮清晰，與汞燈的一級衍射譜線十分類似，而且藍綠色區(qū)（435.84～546.07nm）紫外線照射熒光粉發(fā)出的連續(xù)光譜，形成了望遠鏡藍綠色視野中良好的背景光，它使望遠鏡叉絲在整個視野范圍內(nèi)清晰可辨，非常方便藍色節(jié)能燈各個特征譜線的定位測量工作，替代效果理想可靠。

3 結(jié)論

用紅、藍兩種彩色節(jié)能燈作為光源，進行衍射光柵實驗操作，測得的實驗數(shù)據(jù)及計算結(jié)果，與汞燈譜線的標準數(shù)據(jù)基本一致，彩色節(jié)能燈作為替代光源，符合衍射光柵實驗的要求。

[1]沈元華,陸申龍.基礎(chǔ)物理實驗[M].高等教育出版社，251～255.

[2]丁慎訓,張連芳.物理實驗教程[M].清華大學出版社,239～243.

[3]劉寶林,蔡加法等譯.綠色照明知識讀本[M].機械工業(yè)出版社,2012:58～62.

[4]陳大華.高壓汞燈原理特性和應(yīng)用[J].燈與照明,2002,5:13～15.

[5]喬更新,吳志平.熒光燈制造實用技術(shù)[M].人民郵電出版社,2012:62～64.