衍射光栅实验光源的拓展研究

刘 浩(兰州商学院 物理实验室，甘肃 兰州 730020)

节能灯是二十世纪八十年代发展起来的一种新型的通用照明光源，它和汞灯光谱中都含有汞原子标识谱线，同时节能灯具有价格便宜、紫外辐射少、光谱背景明亮等优点。作者采用彩色节能灯替代汞灯光源进行光栅实验，通过对比实验数据及计算结果，探索了彩色节能灯替代汞灯光源进行光栅实验的可行性。

1 实 验

1.1 实验原理

光栅是具有空间周期性结构的衍射屏，物理实验用光栅通常是由等间距透明与不透明条纹组成的一维光栅。根据夫琅和费衍射理论，当波长为λ的平行光垂直投射到光栅上，通过每个狭缝的光都要产生衍射，若在光栅后面放置一会聚透镜，所有衍射光通过透镜后将相互干涉，所以光栅衍射条纹是单缝衍射和多缝干涉的总效果。在光线正入射的情况下：

式中d 为光栅常数，m 为衍射光谱的级数，φ 为第m 级谱线的衍射角，λ 为衍射光波波长。衍射光栅实验用低压汞灯作光源，它光谱中几条明亮线分别为：404.66nm 蓝紫色、435.83 nm 蓝 色、546.07nm 绿 光、576.96 nm 黄 色、579.07nm 黄色。一般用546.07nm 绿色谱线作标识，计算光栅常数[1-2]。

1.2 汞灯的改造工作

汞灯由电源箱、灯管及灯架组成，由于工作电流大，低压电源和灯管都比较容易烧坏，灯管、电源箱的价格高且配套性很强，给实验仪器的采购及维护带来了诸多不便。节能灯是日光灯的换代产品，其可见光是通过受激汞原子产生紫外线，紫外线撞击玻璃灯管内壁的荧光粉产生的[3]，受激汞原子也发出特定的可见光区谱线，所以它理论上可以作为低压汞灯的替代光源。

采用彩色节能灯替代汞灯作为实验光源时，节能灯的电子整流器取代了汞灯的低压电源，直接接入220 伏交流电源，方便实验操作及仪器日常维护，而且节能灯寿命长、耗能低。图1 是彩色节能灯（右）和汞灯（左）的实物图。

图1 汞灯与彩色节能灯

2 测量结果与分析

2.1 利用汞灯光谱计算光栅常数

按衍射光栅实验步骤调节分光计，先用汞灯做标准光源，实验测量光栅一级衍射谱线偏转角，所得数据记录在表1 中。

将数据代入公式（1-1），波长l 取汞灯各谱线 标 准 值（579.07、576.96、546.07、491.6、435.84、407.78、404.66）[4]，计算出实验用光栅的光栅常数等于1666.87nm（平均值），与生产厂家提供的光栅常数1666.66nm（600 线）基本吻合。

表1 低压汞灯的测量数据

表2 红色节能灯的测量数据

表3 蓝色节能灯的测量数据

2.2 红色节能灯衍射光谱测量

保持2.1 节实验测量条件不变，用红色节能灯替代汞灯，测量光栅衍射的一级衍射谱线，实验数据如表2 所示。光栅常数取1666.66nm（600线），测量数据代入公式（1-1），计算出红色节能灯的衍射标识谱线波长见表2。

表2 第一列的红色谱线（611.72nm）不是汞原子的谱线，它是红色节能灯发光材料—稀土铕激活氧化钇Y2O3：Eu 荧光粉—激发的谱线，氧化钇是最早开发的红色发光材料，是三基色节能灯中用的最多、效率最高的红色荧光粉[5]。

红色节能灯的衍射光谱中，有一些红红、橙色分段光谱，是灯内紫外线（254nm）辐射激发荧光粉的产物，它们使红、黄色区背景明亮，方便了汞原子双黄线附近的定位与测量，虽然降低了蓝紫区491.6、404.66nm 两谱线的能见度，但对总体测量影响不大。对比红灯与汞灯两种光源的谱线波长，基本处在误差范围之内，符合光栅实验光源要求。

2.3 蓝色节能灯衍射光谱测量

保持2.1 节实验测量条件，用蓝色节能灯取代汞灯，移动望远镜十字叉丝位置，测量蓝色节能灯一级衍射谱线，实验数据如表3 所示。光栅常数取1666.66nm（600 线），将实验数据代入公式（1-1），计算蓝色节能灯标识谱线的波长见表3。

纵观蓝色节能灯的衍射谱线特征，它们在整个视野范围内明亮清晰，与汞灯的一级衍射谱线十分类似，而且蓝绿色区（435.84～546.07nm）紫外线照射荧光粉发出的连续光谱，形成了望远镜蓝绿色视野中良好的背景光，它使望远镜叉丝在整个视野范围内清晰可辨，非常方便蓝色节能灯各个特征谱线的定位测量工作，替代效果理想可靠。

3 结论

用红、蓝两种彩色节能灯作为光源，进行衍射光栅实验操作，测得的实验数据及计算结果，与汞灯谱线的标准数据基本一致，彩色节能灯作为替代光源，符合衍射光栅实验的要求。

[1]沈元华,陆申龙.基础物理实验[M].高等教育出版社，251～255.

[2]丁慎训,张连芳.物理实验教程[M].清华大学出版社,239～243.

[3]刘宝林,蔡加法等译.绿色照明知识读本[M].机械工业出版社,2012:58～62.

[4]陈大华.高压汞灯原理特性和应用[J].灯与照明,2002,5:13～15.

[5]乔更新,吴志平.荧光灯制造实用技术[M].人民邮电出版社,2012:62～64.