稀土彩色日光燈在光學實驗中的應用

王 鋼，馮饒慧，崔新圖，廖德駒，程 昌

(中山大學 物理科學與工程技術學院，廣東 廣州 510275)

1 引 言

光源的光譜波長測量是基礎物理光學實驗中一個重要內容[1-2]. 基礎光學實驗通常測量汞燈和鈉燈的譜線波長，由于波長已知，故屬于驗證性實驗，不利于學生實驗操作能力及創(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. 測量稀土彩色日光燈的光譜對低年級學生來說是探索性實驗，能真實反映學生的測量水平和操作的嚴謹性. 實驗設計時可先采用光柵與分光計測量彩色日光燈的未知光譜，再與光柵光譜儀的結果對照.

用邁克耳孫干涉儀觀察白光干涉是基礎物理實驗中的經典實驗內容[1-2]. 因為溴鎢燈發(fā)出的白光的相干長度很短，僅有十幾個μm，因此只有在接近零光程附近才能觀察到白光干涉，對干涉儀的調節(jié)精度要求高，操作難度大，學生實驗常以失敗告終. 若改用黃色日光燈，其相干長度提高30倍左右，實驗效率大為提高. 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驗.

2 彩色日光燈的光譜測量

2.1 光柵和分光計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，光線就會在透鏡的主焦面上相互疊加而發(fā)生干涉[1-2].

根據干涉理論，當衍射角φ滿足

dsinφ=Kλ,

(1)

光就會加強，其他方向則因干涉而抵消[3]. 式中K是光譜級數. 用分光計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. 本實驗中僅對1級光譜進行測量并分析，結果見表1. 本實驗所采用的日光燈是不亮時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 光柵光譜儀實驗結果及分析

圖1和圖2是用WGD-6型光學多通道分析器(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所測得的實驗結果對比，誤差較小. 圖2的綠色日光燈光譜有譜帶出現，各譜線之間光強相差很大. 從兩日光燈的實驗結果來看，黃色日光燈光譜分立性較好，適宜用光柵結合分光計觀察其光譜特性.

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驗中的應用

在傳統的邁克耳孫白光干涉實驗中[4-5]，溴鎢燈的相干長度約為13 μm. 為了觀察到白光干涉現象，需要仔細調節(jié)兩光路使其光程差接近零值，調節(jié)難度大，耗時長. 由上述彩色日光燈光譜測量實驗，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驗，干涉圖樣如圖3所示，實驗測出其相干長度達到0.4 mm，是溴鎢燈的30倍，可有效縮短實驗時間.

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，對可見光光譜段各色光所占面積進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，把這種光源應用在邁克耳孫干涉儀測量波長差的實驗中. 由于黃色日光燈主要是由紅光和綠光組成的，所以會出現紅、綠2套干涉條紋，隨著干涉儀動鏡的移動，干涉圖樣會出現紅、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-重疊變化周期內動鏡的位移變量[3]. 測量結果如表2所示. 本實驗采用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鏡位移大小的40倍.

表2 變化周期測微頭讀數

用逐差法對以上數據進行處理. 求出每相鄰視見度為最高時,測微頭讀數差值的平均值為

故每相鄰重疊度為最高時，動鏡移動的距離為

與用邁克耳孫干涉儀測量的結果對比，相對偏差僅為0.18%.

4 結束語

稀土彩色日光燈的發(fā)光特點是譜線豐富，部分譜線分立性較好，可以應用于光柵和分光計光譜測量實驗中. 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，可以應用在邁克耳孫干涉儀測量波長差的實驗中. 從實驗結果看出，在基礎物理實驗中，用成本低廉的日光燈代替鈉燈、溴鎢燈等光源完成實驗具有一定的可行性. 雖然不同日光燈的熒光光譜特性會有所不同，且會隨著使用時間而發(fā)生變化，但不影響學生完成實驗項目，對實驗原理的理解以及實驗技能的掌握.

參考文獻：

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[3] 趙凱華. 光學[M]. 北京:高等教育出版社，2004:195-200,134-136.

[4] 王小懷,李卓凡,陳懷. 邁克爾遜干涉儀應用功能的擴展[J]. 物理實驗,2012,32(3):22-24.

[5] 魏茂金,張朝清,黃思俞. 邁克爾遜干涉儀測量介質板折射率的問題研究[J]. 物理實驗,2010,30(6):28-31.