稀土彩色日光灯在光学实验中的应用

王 钢，冯饶慧，崔新图，廖德驹，程 昌

(中山大学 物理科学与工程技术学院，广东 广州 510275)

1 引 言

光源的光谱波长测量是基础物理光学实验中一个重要内容[1-2]. 基础光学实验通常测量汞灯和钠灯的谱线波长，由于波长已知，故属于验证性实验，不利于学生实验操作能力及创新技能的培养. 稀土彩色日光灯同普通日光灯一样，都是基于气体电离发光后激发荧光粉发光，其光谱同荧光粉和稀有金属的成分有关. 测量稀土彩色日光灯的光谱对低年级学生来说是探索性实验，能真实反映学生的测量水平和操作的严谨性. 实验设计时可先采用光栅与分光计测量彩色日光灯的未知光谱，再与光栅光谱仪的结果对照.

用迈克耳孙干涉仪观察白光干涉是基础物理实验中的经典实验内容[1-2]. 因为溴钨灯发出的白光的相干长度很短，仅有十几个μm，因此只有在接近零光程附近才能观察到白光干涉，对干涉仪的调节精度要求高，操作难度大，学生实验常以失败告终. 若改用黄色日光灯，其相干长度提高30倍左右，实验效率大为提高. 另外，黄色日光灯谱线包含了2条较窄的红绿谱线，可以用迈克耳孙干涉仪完成红绿谱线的波长差测量实验.

2 彩色日光灯的光谱测量

2.1 光栅和分光计测量彩色日光灯光谱

平行光束投射于光栅，在各透光狭缝上发生衍射. 设光栅常量为d，光栅密度n=1/d，用透镜把与光栅法线成一定角度(衍射角φ)的光线聚集起来. 由于光程差Δ不同，光线就会在透镜的主焦面上相互叠加而发生干涉[1-2].

根据干涉理论，当衍射角φ满足

dsinφ=Kλ,

(1)

光就会加强，其他方向则因干涉而抵消[3]. 式中K是光谱级数. 用分光计测出各谱线的衍射角，由(1)式便可求得波长. 用300 mm-1的光栅测量黄色日光灯谱线波长. 本实验中仅对1级光谱进行测量并分析，结果见表1. 本实验所采用的日光灯是不亮时光管也显彩色的稀土材料日光灯.

表1 黄色日光灯1级光谱衍射角及波长

2.2 光栅光谱仪实验结果及分析

图1和图2是用WGD-6型光学多通道分析器(光栅光谱仪)得到的黄色和绿色日光灯光谱. 从图1可看出，黄色日光灯的光谱接近线状谱，且谱线较窄，与表1所测得的实验结果对比，误差较小. 图2的绿色日光灯光谱有谱带出现，各谱线之间光强相差很大. 从两日光灯的实验结果来看，黄色日光灯光谱分立性较好，适宜用光栅结合分光计观察其光谱特性.

图1 黄色日光灯光谱

图2 绿色日光灯光谱

3 黄色日光灯在迈克耳孙干涉实验中的应用

在传统的迈克耳孙白光干涉实验中[4-5]，溴钨灯的相干长度约为13 μm. 为了观察到白光干涉现象，需要仔细调节两光路使其光程差接近零值，调节难度大，耗时长. 由上述彩色日光灯光谱测量实验，可以看出其光谱比较丰富，特别是黄色日光灯包含了宽度较窄的红色和绿色光谱线，可用于取代其他光源做白光干涉实验，干涉图样如图3所示，实验测出其相干长度达到0.4 mm，是溴钨灯的30倍，可有效缩短实验时间.

图3 黄色日光灯的迈克耳孙干涉条纹

另外由图1可以看出，黄色日光灯的红色和绿色光谱成分能量较强，对可见光光谱段各色光所占面积进行积分可得红光能量占52%，绿光能量占27%，本底辐射和其他光能量占21%，如图4所示，故黄色日光灯发出的黄光可以看作是由红光和绿光组成的.

图4 黄色日光灯各颜色能量比例图

基于黄色日光灯光谱线的特点，把这种光源应用在迈克耳孙干涉仪测量波长差的实验中. 由于黄色日光灯主要是由红光和绿光组成的，所以会出现红、绿2套干涉条纹，随着干涉仪动镜的移动，干涉图样会出现红、绿2套干涉条纹重叠-分立-重叠的周期性变化. 红、绿光的波长差为[3]

其中λ1和λ2分别为红、绿光的中心波长，ΔL为干涉条纹从重叠-分立-重叠变化周期内动镜的位移变量[3]. 测量结果如表2所示. 本实验采用SGM-3型精密迈克耳孙干涉仪，精密测微头的位移大小是干涉仪动镜位移大小的40倍.

表2 变化周期测微头读数

用逐差法对以上数据进行处理. 求出每相邻视见度为最高时,测微头读数差值的平均值为

故每相邻重叠度为最高时，动镜移动的距离为

与用迈克耳孙干涉仪测量的结果对比，相对偏差仅为0.18%.

4 结束语

稀土彩色日光灯的发光特点是谱线丰富，部分谱线分立性较好，可以应用于光栅和分光计光谱测量实验中. 另外，黄色日光灯所发出的黄光主要由红色和绿色2种颜色光组成，可以应用在迈克耳孙干涉仪测量波长差的实验中. 从实验结果看出，在基础物理实验中，用成本低廉的日光灯代替钠灯、溴钨灯等光源完成实验具有一定的可行性. 虽然不同日光灯的荧光光谱特性会有所不同，且会随着使用时间而发生变化，但不影响学生完成实验项目，对实验原理的理解以及实验技能的掌握.

参考文献：

[1] 李长真,杨明明,欧阳俊,等.大学物理实验教程[M]. 北京:科学出版社，2011:125,253.

[2] 沈韩,黄钢明,崔新图，等. 物理学实验教程-基础物理实验分册[M]. 广州: 中山大学出版社，2006:131-137.

[3] 赵凯华. 光学[M]. 北京:高等教育出版社，2004:195-200,134-136.

[4] 王小怀,李卓凡,陈怀. 迈克尔逊干涉仪应用功能的扩展[J]. 物理实验,2012,32(3):22-24.

[5] 魏茂金,张朝清,黄思俞. 迈克尔逊干涉仪测量介质板折射率的问题研究[J]. 物理实验,2010,30(6):28-31.