光学仪器中的常用光源
大学物理实验室常用光源浅析
大学物理实验室常用光源浅析作者：王浩来源：《科学与财富》2016年第06期摘要：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。
描述icp光源的结构、发光机理和特点
描述icp光源的结构、发光机理和特点ICP光源，即指感应耦合等离子体光源（Inductively Coupled Plasma Source），是一种常用于质谱仪等科学仪器中的光源。
它通过感应耦合等离子体的产生和激发，使样品中的分子或原子产生发光现象，从而实现分析和检测的目的。
ICP光源的结构主要包括以下几个部分：射频功率源、射频线圈、石英管、气体进样系统以及质谱仪接口。
其中，射频功率源用于提供高频电源，使射频线圈内的电流形成高频交变磁场；射频线圈是一个螺线管状的线圈，用于产生高频交变磁场；石英管是一个密封的反应室，用于容纳样品和感应耦合等离子体；气体进样系统用于将待测样品输送到石英管中；质谱仪接口用于连接ICP光源和质谱仪主体。
ICP光源的发光机理是基于感应耦合等离子体的产生和激发过程。
当射频功率源提供高频电源时，射频线圈内的电流形成高频交变磁场。
这个高频交变磁场通过感应作用，使石英管中的气体产生等离子体。
在感应耦合等离子体中，高能电子与气体分子或原子碰撞，使其电子激发到高能态。
当这些激发态的电子回到基态时，会释放出能量，产生光子。
这些光子经过进一步的光学调节和分析，最终用于分析和检测。
ICP光源具有以下几个特点：1. 高温高能：感应耦合等离子体在产生过程中，通常需要高温和高能的条件。
这使得ICP光源具有较高的激发能力，能够激发样品中的分子和原子到高能态，从而产生更强的发光信号。
2. 高稳定性：ICP光源采用射频功率源和射频线圈的供电方式，能够提供稳定的高频电源，使得感应耦合等离子体能够稳定持续地产生和激发。
这使得ICP光源具有较高的稳定性和可靠性，适用于长时间的分析和检测工作。
3. 多元素分析：ICP光源能够同时激发多种元素的发光。
在分析过程中，可以通过调节射频功率和气体组分，实现对不同元素的选择性激发和检测。
这使得ICP光源在多元素分析中具有较高的灵活性和应用价值。
4. 高分辨率：ICP光源产生的发光信号具有较高的分辨率。
光学元器件分类
光学元器件分类光学元器件是光学系统中的重要组成部分，广泛应用于光通信、光电子技术、光学传感器等领域。
按照其功能和特性的不同，光学元器件可以分为几大类。
一、光源类光源是光学系统中产生光的装置，常见的光源包括激光器、LED、激光二极管等。
其中，激光器是一种将电能转化为光能的器件，具有高亮度、高单色性和方向性好的特点，广泛应用于光通信、材料加工、医疗美容等领域。
LED作为一种半导体光源，具有体积小、寿命长、能耗低等优点，在照明、显示、信息传输等方面有着广泛的应用。
二、光学透镜类光学透镜是光学系统中最常见的元器件之一，主要用于光线的聚焦和分散。
根据透镜的形状和功能，可以分为凸透镜和凹透镜。
凸透镜可以使光线会聚，常用于放大物体、成像等应用；凹透镜则可以使光线发散，常用于矫正近视眼镜、分散光线等应用。
透镜在光学系统中起到了至关重要的作用，能够改变光线的传播方向和光线的特性，使其成为光学系统中不可或缺的元素。
三、光学滤波器类光学滤波器是一种能够选择性地透过或反射特定波长的光的器件。
根据其工作原理和结构特点，光学滤波器主要分为吸收滤光器、干涉滤光器和衍射滤光器。
吸收滤光器通过选择性吸收特定波长的光来实现滤波效果，常用于光学系统中的滤光片、滤光镜等元件；干涉滤光器则是利用薄膜的干涉效应来实现滤光功能，广泛应用于光学仪器中的滤光器、分光镜等元件；衍射滤光器则是利用衍射原理实现滤光效果，常用于光学显微镜中的滤光镜、彩色滤光片等元件。
四、光学分束器类光学分束器是一种能够将入射光线按照一定比例分割成多个光束的元器件。
常见的光学分束器包括分光镜、棱镜和光栅等。
分光镜是利用光的反射和折射原理，将入射光线分割成反射光和透射光的元件，常用于光学系统中的光路分割和信号检测等应用；棱镜是利用光的色散效应，将入射光线按照波长分割成不同的光束，常用于光谱仪、分光计等光学仪器中；光栅则是利用光的衍射效应，将入射光线按照一定的角度分割成多个光束，常用于激光干涉仪、光栅光谱仪等应用。
凸透镜测焦距的方法
凸透镜测焦距的方法凸透镜是光学仪器中常用的一种，具有聚光作用，可以将光束汇聚到一个点上。
测量凸透镜焦距的方法有很多种，下面介绍其中两种常用的方法：一、光屈法1. 实验原理凸透镜的焦距是指光线垂直于透镜主轴所成的折射光线都汇聚于一点，这点就是透镜的焦点。
所以在光线垂直于透镜主轴的条件下，可以通过移动屏幕和透镜的位置，使得屏幕上的像清晰锐利，测得透镜到屏幕的距离即为焦距。
2. 实验步骤（1）在透镜两侧的光路上分别放置光源和屏幕。
（2）用白纸遮住屏幕左侧，使光线只从透镜右侧射入，并调整高度，保证光线经过光源后垂直射向透镜。
（3）在屏幕右侧，离透镜很近的位置放置一个小的物体（如钉子）作为物点。
（4）移动屏幕的位置，找到一个屏幕上的清晰的像，将透镜沿主轴向左或向右移动，使屏幕上的像清晰锐利，记录下透镜到屏幕的距离，并测量透镜的厚度D。
3. 实验注意事项（1）光源和屏幕要固定在同一个平面上。
（2）尽量保证光线垂直于透镜主轴。
（3）通过调整屏幕位置，使得像越小越清晰。
（4）测量时要记录下不同位置的数据以计算平均值。
二、自由空间法凸透镜的焦距是指从透镜凸面到透镜焦点的距离，可以通过一束平行光线穿过透镜后在一点汇聚来测定。
假设入射光线平行于透镜主轴，经过透镜后汇聚于主轴上某点，该点在焦点之上。
设入射光线与主轴的交点为A，透镜某点为B，汇聚光点为C，焦点为F，垂直主轴的距离为h，AB=BC=D，AC=焦距f，则有如下关系式：h/f = D/2f即焦距f等于透镜到点B的距离。
（1）用白纸挡住光源的边缘，调节光源反射到透镜上的光线，使其平行于透镜主轴。
（2）调节透镜和屏幕位置，使透镜中心和物体、屏幕在同一直线上，且透镜与光源之间的距离大于透镜的焦距。
（3）在屏幕上找到一个清晰的像，测量透镜到屏幕的距离L。
（5）透镜的焦距f可以通过公式计算得到：f = (D^2 - Ll)/4D其中，D为透镜的厚度。
（2）凸透镜的中心和物体、屏幕在同一直线上。
利用光学仪器观察光的反射现象
利用光学仪器观察光的反射现象光的反射现象是物质与光相互作用的基本现象之一，也是光学研究的重要内容之一。
利用光学仪器观察光的反射现象，可以深入了解光的传播规律、表面特性和材料性质等方面的知识。
本文将介绍如何利用光学仪器观察光的反射现象，并探讨其应用领域。
一、反射光实验器材准备为了观察光的反射现象，我们需要准备以下仪器材料：1. 光源：选用白炽灯或者日光灯作为光源，保证光的亮度和稳定性。
2. 反射面：可以使用平整的镜子、光滑的金属板等作为反射面。
3. 光屏：用来接收和显示光线的位置和形态变化。
一般来说，光屏选用白色的纸张或者白色的墨水涂层。
二、单光束反射实验在实验室中，我们可以进行单光束反射实验来观察光的反射现象。
实验步骤如下：1. 设置光源和反射面：将光源放置在距离反射面一定距离的地方，确保光线照射到反射面上。
2. 调整角度：通过调整光源和反射面之间的夹角，即入射角度，来改变光线的折射角度。
3. 观察反射光：利用光屏在反射面后方接收和显示光线的位置和形态变化，观察和记录反射光的特点。
4. 分析数据：根据实验结果和记录的数据，进行光线的分析和比较。
三、多光束反射实验在实验室中，我们还可以进行多光束反射实验来观察光的反射现象。
实验步骤如下：1. 设置光源和反射面：与单光束反射实验相同，将光源放置在距离反射面一定距离的地方，并设置多个反射面。
2. 调整角度：通过调整光源和每个反射面之间的夹角，即入射角度，来改变多光束反射的形态和位置。
3. 观察反射光：利用光屏在反射面后方接收和显示光线的位置和形态变化，观察和记录多光束反射光的特点。
4. 分析数据：根据实验结果和记录的数据，进行光线的分析和比较，深入了解光的反射行为。
四、光的反射现象的应用光的反射现象在生活中有着广泛的应用，以下是一些常见的应用领域：1. 镜子：镜子利用光的反射现象，使光线反射后可以形成清晰的像。
广泛应用于家庭、医疗、科学研究等领域。
2. 光学仪器：利用反射现象，光学仪器如显微镜、望远镜等可以放大和清晰地观察微观和宏观景象。
光学器材的分类有哪些？
光学器材的分类有哪些？一、透镜类器材透镜是光学器材中最为常见的一类，主要用于聚光或者散光。
而透镜的材质通常可以分为玻璃透镜和塑料透镜两大类。
玻璃透镜常用于高端光学设备，具有较好的光学性能和耐用性。
而塑料透镜则更常见于普通相机和眼镜等日常使用的光学设备中。
透镜的分类又可以根据曲率的不同划分为凸透镜和凹透镜。
凸透镜用于使光线收敛，即使物体看起来放大，而凹透镜用于散光，常见于近视矫正眼镜中，使得光线不再集中在眼球前的焦点。
二、光学滤镜类器材光学滤镜是光学器材中的另一类重要器材，可以调整光源的光谱分布，进而影响物体颜色或者调整白平衡。
常见的光学滤镜包括增加防晒效果的偏振滤镜、调整颜色色调的渐变滤镜、去除某波长光的红外滤镜等等。
三、光学仪器类器材光学仪器是一类更为专业的、用于科研或者工程应用的光学器材。
这类器材常常应用于显微镜、望远镜、显微镜等科学研究设备和制造设备中。
其中的光学组件如棱镜、反射镜、光栅等都属于光学仪器的一部分。
四、光纤器材光纤器材是一种用来传输光信号的特殊种类器材，由于其小尺寸、高带宽和低损耗等特点，被广泛应用于通讯、光纤传感和医疗器械等领域。
光纤一般由高纯度硅、玻璃等材料制成，其内核形状通常呈现圆形或者椭圆形。
五、光学涂层器材光学涂层器材是一种利用薄膜光学原理的器材，可以通过特定的方法在光学器件的表面上进行涂覆，改变光线的传输性能和折射率分布。
这样的器材常常应用于镜头、镜片、光学器件等领域，提高光学器材自身的性能。
总结起来，光学器材的主要分类包括透镜类、光学滤镜类、光学仪器类、光纤器材类和光学涂层器材类。
每种类别的器材有着各自的特点和应用范围，它们共同构成了现代光学领域中不可或缺的重要组成部分。
虽然这些器材在形态和应用上有所不同，但它们都通过调整或利用光的特性来达到各种目的，从而在不同领域发挥重要作用。
从大型科研仪器到小到眼镜、相机等个人消费品，光学器材为我们的生活和科学研究提供了诸多便利和突破。
常用电光源
2、气体放电型电光源
气体放电型电光源主要以原子辐射形式产生光辐射。
荧光灯
• 荧光灯（Fluorescent lamp），也称为日光 灯。
• 传统型荧光灯即低压汞灯，是利用低气压 的汞蒸气在通电后释放紫外线，从而使荧 光粉发出可见光的原理发光，因此它属种能将电能转化为光能的 半导体电子元件。 • 这种电子元件早在1962年出现，早期只能 发出低光度的红光，之后发展出其他单色光 的版本，时至今日能发出的光已遍及可见光、 红外线及紫外线，光度也提高到相当的光 度。 。
• • • • • •
LED优点： 电光转化效率高（接近60%） 绿色环保、无污染 寿命长（可达10万小时） 工作电压低（3V左右） 反复开关无损寿命、体积小
发光二极管LED灯
• 发光二极管简称为LED。由含镓（Ga）、砷 （As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成。
当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因 而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器 中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。 砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光， 碳化硅二极管发黄光，氮化镓二极管发蓝光
无极灯
无极灯
无极灯属于第四代照明产品，无灯丝， 无电极，是无电极气体放电荧光灯的简称。
• 无极灯是综合应用光学、功率电子学、等 离子体学、磁性材料学等领域最新科技成 果研制开发出来的高新技术产品，是一种 代表照明技术高光效、长寿命、高显色性 未来发展方向的新型光源。
• 主要特点 • 1、灯泡内无灯丝、无电极，产品使用寿命达60000小时以 上。 • 2、发光效率高，高频无极灯80Lm/W，低频无极灯 85Lm/W。 • 3、显色指数达80以上，采用优质三基色荧光粉，颜色不 失真。 • 4、宽电压工作，电压在185V-255V可正常工作。 • 5、高频工作频率为2.65MHz，低频工作频率为230Hz，安 全没有频闪效应 • 6、启动温度低，适应温度范围大，零下25度，均可正常 启动和工作。 • 7、功率因数可高达0.95以上。 • 8、安全可靠性，绿色环保、真正实现免维护、免更换。
实验一光学实验主要仪器、光路调整与技巧
实验一光学实验主要仪器、光路调整与技巧1.引言不论光学系统如何复杂，精密，它们都是由一些通用性很强的光学元器件组成的，因此，掌握一些常用的光学元器件的结构，光学性能、特点和使用方法，对于安排实验光路系统时，正确的选择和使用光学元器件具有重要的作用。
2.实验目的1)掌握光学专业基本元件的功能；2)掌握基本光路调试技术，主要包括共轴调节和调平行光。
3.实验原理3.1光学实验仪器概述:光学实验仪器主要包括：光源，光学元件，接收器等。
3.1.1常用光源光源是光学实验中不可缺少的组成部分，对于不同的观测目的，常需选用合适的光源，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用能谱连续的光源（白炽灯）；在一些实验中，对光源尺寸大小还有点、线、面等方面的要求。
光学实验中常用的光源可分为以下几类：1）热辐射光源热辐射光源是利用电能将钨丝加热，使它在真空或惰性气体中达到发光的光源。
白炽灯属于热辐射光源，它的发光光谱是连续的，分布在红外光、可见光到紫外光范围内，其中红外成分居多，紫外成分很少，光谱成分和光强与钨丝温度有关。
热辐射光源包括以下几种：普通灯泡，汽车灯泡，卤钨灯。
2）热电极弧光放电型光源这类光源的电路基本上与普通荧光灯相同，必须通过镇流器接入220V点源，它是使电流通过气体而发光的光源。
实验中最常用的单色光源主要包括以下两种：纳光灯（主要谱线：589.3nm、589.6nm），汞灯（主要谱线：623.4nm、579.0nm、577.0nm、546.1nm、491.6nm、435.8nm、407.9nm、404.7nm）3）激光光源激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，缩写：LASER)，是指通过辐射的受激辐射而实现光放大，即受激辐射的光放大。
激光器作为一种新型光源，与普通光源有显著的差别。
它是利用受激辐射的原理和激光腔的滤波效应，使所发光束具有一系列新的特点。
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W 单位： m2
（瓦每平方米）
W 单位： sr m2
d 2e dI e ( , ) Be ( , ） dS cos d dS cos
（瓦每球面度平方米）
M e 的定义
Be , 的定义
5.辐射照度 Le d e Le dS 6.光谱辐射量
Meb , T , T Leb , T
绝对黑体热辐射能力最强。
普朗克公式
M eb ( , T）
5 (e c
c1
2
T
1)
灰体：α(λ，T)＜1的 热辐射光源， 具有与绝对黑体类似 的辐射规律。 色温；相关色温
绝对黑体的温度决定了它的 辐射光谱分布
1.辐射能 Qe 单位为J（焦耳） 2.辐射通量又称辐射功率 e 单位为W（瓦、焦耳每秒） 3.辐射强度 Ie , 描述点辐射源的辐射功率在不同 方向上的分布。
d e I e ( , ) d
单位: W sr （瓦每球面度）
4.辐射出射度 M e 与辐射亮度 Be ,
热辐射光源发射光的颜色如果与黑体在某一温度下的 辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该热辐射 光源的色温；如果不相同，就以发光颜色最相近的黑 体温度为它的相关色温。
二、实际的热辐射光源
1.太阳与黑体辐射器 非常接近于绝对黑体 黑体辐射器：
科学制作的小 孔空腔结构， 可以很好地实 现绝对黑体的 辐射功能。
dLe Le ( ) d
二、光度的基本物理量
1.光谱光视效率V(λ): 国际照明委员会（ CIE ） 根据对许多人的大量观 察结果，确定了人眼对 各种光波长的相对灵敏 度，称为光谱光视效率， 或称视见函数，见图。
详见表1.1
2.光度量
光度量与辐射度量是一一对应的。 辐射度量是客观物理量， 光度量体现了人的视觉特性。
1.3 气体放电光源
基 泡壳：用玻璃或石英等材料制造； 本 电极：阴极、阳极或不区分（交流灯） 结 泡壳内充入发光用的气体：金属蒸汽、 构 金属化合物蒸汽、惰性气体
发光机理：气体放电。 气体放电光源的特点：
1）发光效率高,节能。 2）电极牢固紧凑，耐震，抗冲击。 3）寿命长，比白炽灯长2～10倍。 4）辐射光谱可以选择，只要选用适当 的发
辐射量的光谱密度，辐射量随波长的变化率。
d e e ( ) d
光谱辐射通量e ( )与波长的关系
e e ( ) d
0
其它辐射度量都有类似关系。 dM e 光谱辐射出射度 M e ( ) d
光谱辐射亮度 光谱辐射照度
dBe Be ( ) d
一、汞灯
泡壳内充汞蒸汽
1.低压汞灯： 作253.7nm紫外光源； 作荧光灯（…日光灯）。
2.高压汞灯： 可见辐射加强，呈带状 光谱，可作高效照明光源。
3.球形超高压汞灯： 很好的蓝绿光点光源。
二、钠灯
泡壳内充的是氖氩混合气体 与金属钠滴。
常用作标准光 源，最高工作 温度是3000K。 太阳的光谱分布
2.白炽灯与卤钨灯 灰体
白炽灯
钨丝做灯丝
玻璃泡壳;色温约2800K,辐射光谱约0.4～3μm。 可见光占6～12%，用于照明； 加红外滤光片可作为近红外光源。
卤钨灯
石英泡壳;泡壳内充入微量卤族元素或其化合物 （如溴化硼）;形成卤钨循环。 色温3200K以上,辐射光谱为0.25～3.5μm。 发光效率可达30lm/W(为白炽灯的2～3倍)， 作仪器白光源.
5)光照度 Lv 普适关系式：
d v 单位：lx（勒克斯） Lv dS 1lx = 1lm/m2
X V K m V ( ) X e ( ) d
0
1.2 热辐射光源
由于内部原子、分子的热运动而产 生辐射的光源 辐射光谱是连续光谱
一、理想的热辐射光源
α(λ，T)=1 在热平衡条件下 —绝对黑体
此时，V(λ）=1 1W ＜683 lm
555nm 时， V(λ）＜1
可见， 555nm是明视觉曲线中人眼最敏 感波长，V(555nm)=1。
定义： K m 683Lm / W 为明视觉最大光谱 光视效能。 于是, 同一波长下，辐射通量与光通量之间的 换算关系： ( ) K V ( ) ( )
1）光能 Qv 单位：lm· s（流明· 秒） 2）光通量 v 单位：lm （流明） d v 单位：cd（坎德拉） 3）发光强度 I v I v d 发光强度 I v 是光度量中最基本的单位。在明视觉时，规定： 555nm 时， 1lm 1
1cd
sr
683
W
sr
即：1W = 683 lm
一切能产生光辐射的辐射源都称为光源
天然光源
人造光源
电磁波谱
太阳、黑体辐射器 热辐射光源 按照发光机理， 白炽灯、卤钨灯 光源的分类： 汞灯 钠灯 需要了解 气体放电光源 金属卤化物灯 氙灯 各类光源 光源 的发光机 氘灯 理、重要 气体激光器 特性、适 固体激光器 用场合， 激光器 以便正确 染料激光器 选用光源。 半导体激光器 发光二极管
v m e
对含有多种波长的辐射通量，它对应的光通 量为：
v K m V ( ) e ( )d
0
4）光出射度 M v 与光亮度 Bv
dv Mv dS
2
单位：lm /m2 单位： cd/m2
实用单位：sb(熙提) 1sb = 104cd/m2
d v dI v Bv dS cos d dS cos
1.1 辐射度学与光度学的 基础知识
介绍描述光辐射的一套参量 光辐射:以电磁波形式或粒子(光子)形 式传播的能量,可用光学元件反射、 成像或色散，这种能量及其传播过程 叫光辐射。
为了对光辐射进行定量描述，需引入 计量光辐射的物理量，有两套体系： 辐射度单位体系和光度单位体系。
一、辐射度的基本物理量