利用激光筆、熒光油墨和橄欖油開展的光學實驗

摘" 要：激光筆通過內置激光二極管發出激光，熒光油墨在可見光或紫外光照射時發射較低波長的熒光。橄欖油包含豐富的葉綠素，具有不同的酸度。利用激光筆、熒光油墨和橄欖油開展多個幾何光學與熒光實驗，加深學生對于光的傳播規律和波粒二象性本質的理解。

關鍵詞：激光筆；熒光油墨；橄欖油；波粒二象性；光學實驗；熒光實驗

文章編號：1671-489X（2025）07-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.07.

0" 引言

激光筆又稱激光指示筆，通過內置的激光二極管發出不同顏色和波長的激光，具有輕巧便攜、發射波長單一穩定、方向指示性好等優點。熒光油墨（墨水）屬于功能性發光顏料，在防偽印刷和包裝等領域應用普遍[1]。不同種類的熒光油墨包含各種熒光化合物，可見光或紫外光照射時，熒光化合物吸收部分入射光的能量，發射較低波長的可見光，形成不同顏色熒光。橄欖油是一種常見的植物油，包含豐富的葉綠素。利用激光筆、熒光油墨和橄欖油為主要材料，可以開展多項幾何光學和熒光實驗，加深學生對光的傳播規律和波粒二象性本質的認識與理解。

1" 羅丹明溶液光學實驗

為了實驗人員的安全，通常小功率激光筆（功率5 mW以下）發射的激光難以直接觀察其傳播路徑，因此，一些教師采用向空氣中噴灑煙霧或面粉、將牛奶和顏料等滴入水中的方法，利用空氣或水中的懸浮微粒對激光的散射作用清晰地顯示激光路徑。下面介紹應用綠色激光筆（波長532 nm）、固定支架、CD空白光盤、玻璃缸、羅丹明B溶液、線香等器材，開展幾何光學的反射、折射、衍射、全反射等實驗項目。

把CD光盤切割為3 cm寬、5 cm長的切片，將切片固定在玻璃缸底部，反射記錄面向上。羅丹明B（Rhodamine B）是一種桃紅色的人工合成染料，易溶于水和乙醇，稀釋溶液發出熒光[2]。在水中加入適量的羅丹明B，直到溶液顯示粉色；在玻璃缸中加入一半高度的水溶液；點燃線香伸入玻璃缸內部，等待幾分鐘后，上部空間充滿煙霧；把線香拿出來，用玻璃蓋子封閉玻璃缸；用支架固定激光筆，發射的激光通過玻璃缸側壁后傾斜穿透煙霧，照射到CD切片的表面。實驗中，在確保周圍環境暗淡的情況下，可以清楚顯示玻璃缸中激光的傳播路徑。在玻璃缸上部空間，煙霧微粒對于激光具有散射作用；在玻璃缸下部溶液區域，羅丹明B產生熒光作用，清晰地顯示激光傳播路徑。

用數碼相機在適當的位置對準玻璃缸容器拍攝，確保光軸和容器的中心重合。通過拍攝的光路圖照片，可以得到激光在不同入射角度的幾何光路圖，如圖1所示。對測量得到的數據進行處理和分析，可以驗證幾何光學中的反射定律、折射定律、衍射定律等理論，也能夠計算出水相對于空氣的折射率。

CD或DVD光盤具有特殊的構造，由基板、染料層、反射層、印刷層組成。基板由樹脂材料PC構成，PC層的光透過率為90%，折射率為1.538。染料層厚度約100 nm，光盤通過壓制在信息存儲層上的細小坑點來貯存信息，這些不同時間長度的坑點和坑點之間的平臺組成由里向外分布的螺旋線光道。當激光掃描光盤表面分布的光道，經過轉換而讀取光盤存儲的信息。通常CD光盤表面上相鄰螺旋光道的間距為1.5 μm，DVD光盤相鄰螺旋光道的間距為0.74 μm，光盤內徑和外徑為厘米量級，光道近似平行且等間距，當激光照射在光盤面，光盤像反射光柵一樣能夠發生光柵衍射現象[3]。

本實驗顯示了激光照射光盤產生的衍射光線路徑和傳播規律。激光波長為532 nm，從空氣中以入射角θ=57°進入溶液，折射角θ=39°。應用斯涅爾定律，已知空氣折射率n0=1，可以計算水溶液折射率n=1.33，激光在水溶液中波長變為400 nm。當折射光線I以39°的入射角傾斜射向CD切片，CD切片像反射光柵一樣發生衍射。光柵方程：

d（sinθm-sinθ）=mλ（m=1，0，–1，-2…）（1）

根據實驗結果，θ1=63°，θ0=39°，θ-1=21°，θ-2=5°，θ-3=13°，θ-4 =26.5°，θ-5=46°，θ-6=78°，計算得出λ/d=0.27，光柵常量d=1.48 μm。從CD切片發出的各條衍射光線重新進入空氣中，依舊滿足相關的折射定律。只有光線I1發生全反射，因為它的入射角（63°）大于水和空氣交界面的全反射角（48.7°），光線I1重新進入水溶液中。

2" 熒光油墨光學實驗

熒光墨水的化學成分比較復雜，例如：吡喃類染料是一種芘染料，通常加入熒光素用于制造黃色熒光墨水，將一種芘染料和三苯基甲烷染料混合能夠產生綠色墨水；酸藍9是一種三苯基甲烷染料，用于制造藍色熒光墨水，通常與增色化合物結合使用，如陰離子二苯乙烯衍生物；黃雜蒽染料和香豆素染料可混合用于制造橙色墨水；羅丹明染料用于制造粉紅色熒光墨水，將羅丹明染料與三苯基甲烷染料結合可以制造紫色熒光墨水。熒光現象并不罕見，使用綠色或紫色激光筆照射橄欖油、可樂、焦糖溶液都可以發出熒光。用激光筆照射熒光墨水，需要滿足一定的條件才會產生熒光。使用波長

650 nm的紅色激光筆分別照射綠色、黃色、粉色的熒光墨水，紅色激光不會引發熒光墨水產生熒光，因為紅色光波的能量較小，無法激發綠色或黃色染料分子產生受激輻射。

為了消除激光傳播過程中顏色變化產生的影響，直觀清晰地對幾何光學進行可視化實驗，下面介紹使用紅色激光筆和綠色熒光墨水進行的實驗。油墨顆粒直徑小且數量眾多，懸浮在水中狀態穩定，通過散射作用可以清晰顯示激光的傳播路徑。

實驗器材包括：裝滿水的透明矩形水箱、一個較小的透明方形容器、圓形丙烯酸板（亞克力板）、棱鏡、凹面丙烯酸板、燒杯，CD光盤[4]。

把綠色熒光墨水滴入裝有水的透明玻璃容器內，調節溶液濃度直到清楚地看見激光傳播路徑。如把玻璃容器裝入1/3體積的水，滴入大約10滴綠色熒光墨水并且混合均勻。為了探究平面鏡、凹面鏡、凸面鏡對光的傳播作用，利用兩個或三個紅色激光筆構成平行光束。如通過圓形丙烯酸板的平行光發生匯聚，丙烯酸板折射率為1.49，水的折射率為1.33，從空氣進入水中，然后穿透丙烯酸板的平行光發生一個很小的偏轉。把丙烯酸板放置在暴露于空氣中的方形容器中，由于水和塑料、空氣和塑料的折射率不同，平行光匯聚后焦距變短。激光從空氣進入放在水中的棱鏡，顯示一個小的偏差。當棱鏡放置在方形容器中，由于水和玻璃、空氣和玻璃的折射率不同，激光傳播時偏差角變大。通過凹形丙烯酸板的光在水中的發散比在空氣中的發散要小。空心燒杯可以充當一個凹透鏡，而不是凸透鏡。

本裝置可以演示光的折射、全反射、衍射等過程，為學生探究光的直線傳播規律提供可視化的實驗現象。

3" 橄欖油熒光實驗

1905年，愛因斯坦發表論文《關于光的產生和轉化的一個啟發性觀點》，首次應用光量子概念解釋光致發光（熒光）、光電效應等現象。他認為光輻射與物質相互作用時能量是一份一份的，光輻射的能量本身是量子化，一份能量就是能量的最小單元，稱為光量子或光子。光量子的出現宣告量子光學誕生，極大地推動了量子物理的發展。光致發光（熒光）是物質吸收光子（電磁波）后重新輻射出光子（電磁波）的過程，熒光物質吸收光能，能量在物質微觀層面重新分布，電子從低能級向高能級躍遷過程遵循量子力學的規律，如波粒二象性、量子躍遷等。

橄欖油是一種富含葉綠素的植物油，外觀呈黃綠色，相對密度為0.908～0.915 g/cm3，分為初榨橄欖油和精煉橄欖油兩個不同等級。利用不同酸度和等級品質的橄欖油和激光筆，可以開展有趣的熒光實驗[5]。如圖2所示，玻璃杯裝有一半體積的水，上層是某品牌的特級初榨橄欖油。用波長

532 nm的綠色激光筆照射，采用煙霧法顯示激光在空氣中的傳播路徑。當激光進入橄欖油，發出黃色的熒光。部分學生錯誤地認為因為橄欖油本身顏色是黃色，所以發出黃色的熒光。

激光照射橄欖油會產生三種現象。

1）瑞利散射。當粒子尺度遠小于入射光波長（小于波長的1/10），各方向的散射光強度不一樣，強度與入射光的波長四次方成反比，散射光線在光線前進方向和反方向上的程度是相同的，在與入射光線垂直的方向上程度最低。橄欖油分子直徑范圍在0.3～1.2 nm，綠色激光的波長為532 nm，激光照射到橄欖油時不會改變入射光的波長，只是改變光的傳播方向。

2）吸收光。激光與橄欖油發生相互作用，激光的電磁輻射能量部分被橄欖油吸收并轉化為其他形式能量。

3）發射熒光。橄欖油分子吸收一定形態的光能，向各個方向發射較低波長的可見光（熒光）。由于散射光向不同方向傳播，可以看見綠色激光。當激光穿透橄欖油層時，黃色熒光強度大于散射綠光，人眼看見淡黃色。

分別使用紅色與藍紫色激光筆，在裝滿初榨橄欖油的玻璃杯后面照射，激光沒有直接穿透油層。透過油層觀察可以發現紅色激光，但是看不到藍紫激光。由于初榨橄欖油包含大量的葉綠素，對葉綠素的吸收光譜實驗顯示存在兩個較大的吸收光譜帶，一個在藍色區域，另外一個在紅色區域。橄欖油就像一個強烈的吸收機器，吸收大量散射的藍紫光。少量藍紫激光可以產生熒光，但是發光效率低，眼睛無法觀察到。紅色激光可以發生90°偏折，說明紅色散射光占據優勢，橄欖油分子吸收紅光很少。

如果用功率較高的藍紫色激光直接照射初榨橄欖油，肉眼可以看見紅色熒光，紅色熒光在橄欖油中傳播一段距離后消失。初榨橄欖油含有大量高濃度葉綠素成分，受到激光照射發出紅色熒光，其他包含葉綠素的溶液也可以發出熒光。葉綠素發出的熒光容易熄滅在水中，有機非極性溶液更容易激發葉綠素分子發出熒光。紅色熒光停留在油層表面區域，這是熒光現象中的內濾效應（Inner Filter Effect）。如果存在較多葉綠素分子，入射光數量不多，熒光局限在油層的表面發生，入射光被橄欖油全部吸收后，熒光在短距離內消失。

橄欖油熒光實驗表明，物質發射熒光與激發光的波長沒有關系，只要物質能夠吸收入射光波，使用藍色激光或綠色激光發出熒光的強度存在差異，藍色激光產生最強的紅色熒光效應。同時，用不同品牌的橄欖油進行熒光實驗，結果存在差異。使用煙霧顯示激光在空氣中的路徑，用綠色激光連續照射兩個不同品牌的初榨橄欖油，由于油品的酸度不同，激光穿透1號橄欖油時出現紅色熒光，穿透2號橄欖油時出現黃色熒光。

4" 結束語

光學是一門歷史悠久的學科，光的傳播規律、光的本質等相關研究一直在不斷發展。20世紀初，愛因斯坦創造性地提出光子說，解釋光電效應現象。康普頓效應卻表明光具有波動性，由此光的波粒二象性本質被正式確定下來。除了傳統的幾何光學與波動光學，近年來迅猛發展的量子光學開始深入地探討光子的性質等規律。光不僅是傳遞信息的載體，也是能量的載體，可以幫助人類更好地認識和改變自然世界。本文介紹了利用激光筆、熒光油墨和橄欖油開展多個幾何光學和熒光實驗，教師還可以引導學生利用花生油、菜籽油、茶油等多種不同的油料，采用不同顏色和波長的激光筆開展熒光實驗，利用身邊的器材探究光的本性等科學現象和問題，讓學生深刻認識科學來自生活，生活中蘊含科學的道理。

5" 參考文獻

[1] 藺讓霞.有色熒光油墨使用經驗談[J].印刷技術，2016（15）：40-41.

[2] VELASCO S A， DEL MAZO A. Visualization of four optics phenomena in a single experiment[J].The Physics Teacher，2019，57（6）：430.

[3] 單會會，馬書炳，張輝，等.基于CD/DVD光盤的光柵衍射演示實驗[J].物理實驗，2018，38（2）：34-35，46.

[4] CHEN Y， KIM HR， AHN YJ. Geometric Optical Expe-riments Using Water Mixed with Highlighter Ink[J].The Physics Teacher，2022，60（9）：765-767.

[5] GORE G R. Fun with fluorescence in olive oil[J].The Physics Teacher，2012，50（6）：377-388.