光路的荧光法显示

钱懿华 刘争晖 罗晓琴 戴永丰*

(1. 苏州大学东吴学院,江苏 苏州 215006; 2. 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所,江苏 苏州 215123)

光学实验中光路不易显现．难于将光路图与实验中不易显现的光路联系是不少学习者的困扰．而光学实验中,仅根据光斑或像等调整光路,同样存在不直观的问题.在使用激光的实验中激光或其反射光直射实验操作者的眼睛时,可能导致安全事故．目前常用方法采用烟或雾或悬浊液的Mie散射和大颗粒反射,并不便捷,因而限制了在实践中应用范围．[1-4]荧光方式检测大气SO2浓度已有成熟技术,[5，6]本文考虑将荧光显现的方法用于可见光光路和紫外激光光路在可见光波段显示．

光在通过介质时,发生散射和反射,就会向光路之外的观察者显示光路．光遇到小颗粒物质会发生Rayleigh散射,比如纳米尺寸的O2分子,而在遇到稍大一些的颗粒时会发生Mie散射,比如大小与光的波长相近或稍大的颗粒,再大的颗粒则发射反射,从Rayleigh散射到Mie散射是连续的,众所周知的丁达尔效应属于Mie散射．现有显示光路方法是Rayleigh散射、Mie散射和大颗粒杂质的反射并存,其中以Mie散射和大颗粒杂质的反射的贡献为主,Raman散射强度远小于Mie散射和Rayleigh散射,可不予考虑．为了制造达到Mie散射和大颗粒杂质的反射的效果,烟的方案需要点火、有气味,不是在教室或实验室最宜采用的方案;[1，2]雾的方案采用了超声波雾化水的方式,适宜显现空气中的光路,适宜教学,在部分实验室不适宜采用;[3]悬浮液的方案采用了在水中稀释牛奶的方式,适合显现液体中的光路,由于存在吸收、牛奶混合不均匀及有大颗粒的大量存在,显现光路时往往距离不长,适宜在教室中演示,在部分实验室不适宜采用．[4]以上方式均需要做专门准备,不便捷,而导致使用率不高,并且光路散射的光强也不够．比如在光栅衍射中,高级次衍射光就比较难显示光路．

荧光属于光致发光的冷发光现象,吸收短波长的光发射长波长的光,能量大的光子激发出能量较低的光子．分子吸收光子从基态进入激发态,激发态分子不稳定,会很快向基态跃迁,分子中受到激发的电子会以辐射跃迁和无辐射跃迁的方式释放多余能量．其中,辐射跃迁部分会以荧光方式辐射,部分以磷光方式辐射;而无辐射的跃迁形式是以热辐射形式放出多余能量．

使用荧光物质显示光路可以用可见光中的短波光作为激发光,也可以用紫外光作为激发光,在可见光波段产生的荧光向光路以外的方向辐射即可显示光路,是一种通过“点亮”荧光物质显示光路的方式．如采用白光,因其中亦包含可激发荧光的激发光而同样有效．加入的荧光物质也存在颗粒物、胶体等,同时也包含了Mie散射和大颗粒物质的反射．

图1—4展示了用荧光素钠水溶液显现光路,光从右方照过来,从右向左依次是空气、自来水、和荧光素钠水溶液,以作对比．图1采用了波长405 nm的紫色激光，图2采用了波长532 nm的绿色激光．两者都产生了明显的荧光,空气中的散射相对很弱,自来水中的散射也显示了光路,强度明显小于荧光显示光路．图3采用了功率较小的波长650 nm的红色激光,以模拟背景光较强或光源不亮的场合,在溶液中并未发生荧光,但是荧光物质的胶体和颗粒起到了散射的效果,也起到了明显强于自来水的光路显示效果．图4采用了白色平行光,白光中部分短波激发了荧光,同时各种波长的成分都发生了散射,圆柱形的光路显示效果良好．

图1 显现紫激光光路的对比

图2 显现绿激光光路的对比

图3 显现红激光光路的对比

图4 显现白色平行光光路的对比

教室中的演示实验光源往往是可见光,实验室需要在可见光段和紫外段显示光路便于调节．把紫外光作为激发光的荧光物质可选择的范围较大．考虑便捷和安全,这里可以推荐几种荧光物质．钇铝石榴石(YAG)系列荧光粉,依掺杂成分不同激发波长450-470 nm,发射波长500-580 nm,通常为黄色或淡黄色粉末,耐水、耐酸碱,无毒,适合与树脂等作封装,通常用在蓝光LED上,通过荧光产生黄光,给人以白光的色感．荧光素钠,橙红色粉末,无气味,有吸湿性,易溶于水,溶液呈黄红色,适宜的激发波长为492 nm发射波长为513 nm．荧光素钠注射液适用于诊断性眼底和虹膜血管的荧光素血管造影检查,生物安全性高．荧光素钠亦可用于水体的污染物检测．[7]罗丹明B,易溶于水、乙醇,微溶于丙酮、氯仿、盐酸和氢氧化钠溶液,水溶液为桃红色溶液,适宜的激发波长为554 nm发射波长为610 nm．在化妆品工业中,罗丹明B可用于浴液、洗发水、冷烫水等类产品的着色,但不得用于眼部、口腔及唇部化妆品中．罗丹明B激发波长较长,可在实验室符合安全条件下使用．奎宁,著名的抗疟疾药,也是最早发现的荧光物质之一,适宜的激发波长为350 nm发射波长为448 nm,适用于紫外段的光路显示．

生活中荧光笔是常见的学习用品,出于书写的需求,荧光笔的液体多为油溶性,但是将荧光笔在水中搅动几下即可有荧光物质进入水中,再搅匀之后即可形成悬浊液．有些荧光物质既是油溶性又是水溶性,也会有部分溶解水中,形成溶液、胶体、悬浊液并存状态．此外还有水中的其它杂质,往往出现荧光的同时伴有少量Mie散射、Rayleigh散射和大颗粒杂质的反射,光路显示出来．荧光笔的物质加入水中是比较方便的显现光路的方式,以盛水小容器在光路各部分游走显示光路,明亮、清晰、直观,便于临时使用．

采用固化后呈透明的树脂可制作包含荧光物质的光路显示固体,更适合长期使用．

图5展示了小学科学课、中学物理课都作为重点的折射、反射问题,教学中不能直接显示光路影响了部分学生的理解．盒中下半部分采用固化的树脂,树脂中均匀的散布了荧光素钠,盒中上半部分是荧光素钠水溶液．光源采用405 nm的紫激光．图5中可以清晰的看到在水溶液和树脂的界面上有反射光和折射光,反射光上行至水溶液和空气的界面后还能看到弱的反射光,折射光在树脂底面反射后在水溶液和树脂的界面上折射进入水溶液．

光栅是大学物理理论课和实验课的内容,往往采用打出光斑的方式展现,而光栅的衍射光呈现角分布才是直观而本质的．在图6中,光栅的衍射光从下方进入,可以看到比较弱的高级次的衍射光也被显示出来,甚至更弱的反射光的光路也能显示．

图5 显现折射反射光路

图6 显现光栅衍射光的光路

图7是一种便捷的进一步增亮显现光路的方法,在水中用不同颜色的荧光笔搅动,加入多种荧光物质,405 nm的紫激光穿透时可以显示一条高亮光路．

图7 多种荧光笔液制造的光路高亮显现

图8、图9采用325 nm的紫外激光照射固化的树脂块．图8采用的荧光物质是得力IS625型黄色荧光笔所含的荧光物质,图9采用的荧光物质是荧光素钠．两者都可以显示紫外光的光路,荧光物质转换了原波长能量发出荧光和树脂材料对紫外光的强烈吸收有效降低了穿透过树脂块的紫外光强度,显示光路的同时防止了穿透树脂块之后的未知光路部分的危害．荧光树脂块达到了减小紫外激光实验中潜在危害的效果．

图8 紫外激光通过荧光树脂块

图9 紫外激光通过荧光树脂块

图10 紫激光通过荧光树脂块

图11 紫激光通过荧光树脂块

图10和图11采用了405 nm紫激光穿过上述树脂块,固化树脂块更适宜长期使用．

以上实验中,在水中或树脂中添加荧光剂用量都很小．以水中加荧光剂为例,100 g的水中加入10 mg以下的荧光素钠或荧光笔的荧光物质,在树脂中也以相近比例少量添加荧光剂即可．注意加入后需要分散均匀．

用荧光显示光路的方法,便捷、安全,适宜于教室和实验室用,演示时直观展现光路,打破教学时“想象”光路的困境,也有助于实验室减小紫外光的潜在危害．