大学物理实验室常用光源浅析

王浩

摘要：光源是光学实验中不可缺少的重要组成部分。对于不同的观测目的，常需要选择合适的光源。如在干涉测量技术中，一般应使用单色光源，而在白光干涉时，又需要能谱连续的光源（白炽灯）。在一些实验中，对光源的尺寸大小，还有点、线、面等方面的要求。本文主要介绍实验室几种常用光源，包括白炽灯、钠光灯、汞灯、激光器等等。

关键词：实验室；光源；白炽灯；钠光灯；汞灯；激光器

引言

大学物理实验是高等理工科院校的基础必修课程，而光学实验是大学物理实验中占比重很大的一类实验课。在光学实验中，光源是最重要的仪器之一，光源的选择包括尺寸，形状、颜色等诸多方面。光源分自然光源和人造光源，本文主要就人造光源进行浅析。

1白炽灯

白炽灯（incandescent lamp）是一种透过通电，利用电阻把幼细丝线（现代通常为钨丝）加热至白炽，用来发光的灯。电灯泡外围由玻璃制造，把灯丝保持在真空，或低压的惰性气体之下，作用是防止灯丝在高温之下氧化。照明中的小电蛛，钨丝强光灯，玛瑙灯和溴钨灯等，它们都以钨丝作为发光物体，光谱分布曲线与钨丝的温度有关。与一般民用的白炽灯相比，光学实验中的灯泡灯丝较短，发光面集中，发光效率高，符合高亮度、小尺寸的要求。在使用时，由于各类灯泡正常发光所需要加上的工作电压各不相同，点燃时的强度也有高低，故应注意供电电压必须与灯泡上标注的值相等，否则会发生烧毁或亮度不足，严重者甚至出现爆炸事故，碘钨灯和溴钨灯（统称为卤素灯），除工作电压外，还需考虑电源的功率。卤素灯（Halogen lamp）是白炽灯的一种。原理是在灯泡内注入碘或溴等卤素气体。在高温下，蒸发的钨丝与卤素进行化学作用，蒸发的钨会重新凝固在钨丝上，形成平衡的循环，避免钨丝过早断裂。因此卤素灯泡比白炽灯更长寿。此外，卤素灯泡亦能以比一般白炽灯更高的温度运作，它们的亮度及效率亦更高。不过在这温度下，普通玻璃可能会软化。因此卤素灯泡需要采用熔点更高的熔凝石英或硬的玻璃。而由于石英玻璃不能阻隔紫外线，故此卤素灯泡通常都而需要另外使用紫外线滤镜[1]。

2钠光灯

钠光灯（sodium lamp）是实验室中最常用的单色光源，它是一种以金属钠（Na）蒸汽在强电场中所发生的游离放电现象为基础的弧光放电灯，是气体放电灯的一种。钠光灯的灯管内也会充填汞和稀有气体，但实际上起作用的是钠蒸气。

根据填充的钠蒸气的压力，钠光灯又可分为低压和高压两种。低压钠灯在额定供电电压下工作时其电弧管内的蒸汽压为0.7～1.5帕，光近乎单色，钠光灯发出的光波长集中在580纳米和589.6纳米（具体应用时，由于这两种单色黄红光波长较接近，一般不易区分，故以它们的平均值，589.30纳米作为钠黄光的波长值），对人眼较敏感的黄光区域，所以发光效率高达150流明/瓦以上，但显色性太差，只应用于不需分辨颜色的实验中。另外一种是高压钠灯，其原理是提高钠的蒸汽压，并加入少量汞，光线的谱线更宽，所以显色性比低压钠灯好，色温为2100开，光效为72～130帕流/瓦，应用十分广泛，也是道路照明的主要光源。

3水银灯

水银灯（quicksilver lamp）和钠光灯一样，它的工作原理是以金属蒸气，在强电场中所发生的游离放电现象为基础的弧光放电灯。汞灯灯管用耐热玻璃制成，两端装有电极；制造时抽去空气，充入水银和少量氩气；通电后水银蒸发，受电子激发而发光。水银灯被点燃在稳定时发出紫色光，其中主要包括五种单色光，在可见光范围内的光谱线成分是几条分离的强谱线，下表列出了3种光源发出的光波长（表3-1）。

表3-1三种光源辐射波长

光源 辐射波长（单位nm）

钠光灯 589.59、589.00

水银灯（汞灯） 621.35、579.07、576.96、546.07、491.60、435.83、404.68、305.62

氦氖激光器 632.80

水银灯又叫汞灯，汞灯又叫水银灯，它的谱线在可见区主要集中于四组：黄色的：577.0nm与579.1nm，绿色的：546.1nm，兰色的：435.8nm，紫色的：404.7nm与407.8nm[2]。 按它工作室汞蒸气的高低分为低压、高压和超高压汞灯3种。汞蒸气在一个大气压下的汞灯称为低压汞灯，它辐射的能量几乎全部集中在253.7纳米这一谱线上，只能做紫外光源用。因为增加汞蒸气能提高汞灯的发光效率，从而提高亮度，因此，高压汞灯的蒸气压一般为几个到几十个大气压，高压水银灯发光效率高，使用寿命长，但紫外光多、红光少，可用作晒图机的光源。25个大气压以上的汞灯称为超高压汞灯，超高压水银灯是一种点光源，用于光学仪器。高压汞灯从启动到正常工作需要一段预热时间，点燃时间通常约为5分钟-10分钟。高压汞灯熄灭后不能立刻启动，因为它在熄灭后管内还保持着较高的汞蒸气压，要灯管冷却使汞蒸气凝结后才能再次点燃。冷却时间约为5分钟-10分钟，为了克服气体弧光放电过程中的负电阻效应，要求在电路中接入一定阻抗来限制电流，避免灯管烧坏，使灯管稳定工作。

一般地，在220伏交流电源与灯管的电路中串入一个扼流圈来镇流，不同的汞灯，电流的额定值不同，所需要的扼流圈的规格也有差异，因此彼此之间不能相互使用，汞灯辐射紫外线较强，不能直接注视汞灯，以防眼睛灼伤。

4激光器

激光器（Laser）是一种新发展起来的单色光源。它利用受激辐射的原理，使得光在某些受激发的工作物质中放大或振荡发射激光（laser）的器件。根据产生激光的媒质，可以把激光器分为液体激光器、气体激光器和固体激光器等。工作物质有：固体（红宝石、钕玻璃、钆铝石等），气体（氦氖氢、二氧化碳），半导体和液体等。激光是一种亮度较高，单色性方向性极好，空间相干和时间性都很高的光。实验室中常用的是氦氖激光器，它是最重要的红光放射源，其输出的波长公认值为632.8纳米，是橙红色的偏振光，输出激光功率为几个毫瓦到几十个毫瓦。激光管两端是由多层介质所组成的光学谐振腔，它是激光器的重要部分，使用时必须保持清洁，防止灰尘和油污的污染，点燃时严格按照说明书要求控制辉光电流的范围。不得超过额定值，低于阀值则激光器易于闪烁或熄灭。由于激光管两端加有高压（约1500伏到8000伏之间），操作时应防触及造成电击事故。在光学实验中，可以利用各种光学元件将激光管射出的激光束进行分束、扩束或改变激光束的方向，以满足不同实验的要求。

5其他光源

除了以上光源，还有以下常用光源。氢灯（hydrogen lamp），是一种充有高纯氢气，能辐射出氢特征谱线的冷阴极辉光放电灯。波长为656.279nm，486.133nm，434.047nm，410.174nm，其谱线可用于波长定标，广泛用于大学物理实验室，是氢光谱实验的必备光源。其电源电压为220伏，起辉电压<4伏，工作电流4.98-5.02毫安。氢灯与高压电源连接时电压极性一定要正确：氢灯的插头与高压电源对应颜色的插座相连（红对红、黑对黑）切勿接反，否则会损坏氢灯灯管。氦灯（helium lamp）也是一种充有高纯氦气，能辐射出氦特征谱线的冷阴极辉光放电灯，波长706.5nm和 587.6nm。氦灯放电管内充有高纯度氦，灯带有能加大贮气体积的附加部分，以维持恒定的气压，从而使放电比较稳定。放电部分制成内径为2～3mm的毛细管，以使辐射光度集中。

6结语

实验室光源是光学实验中重要的组成部分，在实验前应当熟悉仪器的操作和保养规范，正确地使用各种实验光源。由于有些光源工作时电压高、光亮度强，具备较大的危险性，所以一定要规范操作，避免危害到自身安全和损坏仪器。

参考文献：

[1] 苏大生.光学实验现象与仪器的调节[J]. 泉州师范学院学报.2005（04）

[2] 马葭生，宦强主编.大学物理实验[M]. 华东师范大学出版社， 1998