ＬＥＤ、ＬＤ光源在物理实验中的应用尝试_LD与LED光源区别

　　摘要 物理实验中使用的光源通常有白炽灯、纳光灯、低压汞灯和氦氖激光器等，它们统属于气体光源。近年来，LED、LD构成的半导体光源，在各个领域被广泛应用。笔者对LED、LD光源在物理实验中取代传统的气体光源进行探索和尝试，并取得有益的经验。实践证明，由于LED、LD光源构造的特殊性，实验效果往往更优于气体光源。
　　关键词 LED；LD；气体光源；半导体光源
　　中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1671-489X（2009）06-0102-02
　　LED、LD with Lamp-house of Physics Experimentation//Li Ping, Zhang Mingxuan
　　Abstract The lamp-house of the physics experimentation includes incandescent lamp, sodium lamp, mercurial lamp and He-Ne laser. Due to LED, LD′ s technology has progressed, the scopes of lamp-house are taking place are taking place a huge change. LED, LD’s lamp-house has entered into market of experiment for high illuminant efficiency, small volume，long life and low price, it will replace traditional lamp-house. The article introduce characteristic of Semiconductor lamp-house, and then we discuss the application in experiment scopes.
　　Key wordsLED；LD；lamp-house of gas；lamp-house of solid
　　Author’s address
　　1 Hebei Normal University, Shijiazhuang, 050016
　　2 Shijiazhuang University, Shijiazhuang, 050035
　　
　　物理实验中采用的白炽灯、纳光灯、低压汞灯和氦氖激光器等传统气体光源[1]，通常采用镇流器或变压器及倍压电路来控制真空器件发光，光源不仅体积大，而且发光效率低，寿命短，价格贵。
　　随着半导体LED（ Light Emitting Diode 发光二极管）、LD（Laser Diode激光二极管）技术的飞速发展，由LED、LD组成的半导体光源，功能上不仅完全可以取代传统气体光源，构成点光源、线光源、面光源、漫反射光源、平行光源和频闪光源。而且，由于半导体光源构造的特殊性，其实验效果更优于传统的气体光源。半导体光源还有体积小，发光效率高，寿命长，价格低等优点。下面笔者就LED、LD半导体光源取代气体光源进行探讨。
　　
　　1 点光源和平行光源
　　
　　LED包括了红、橙、黄、绿、蓝及白等多种颜色，LED、LD都有一个相对光强度最大处，与之对应的波长叫峰值波长，用λp表示。
　　LED的光谱分布[2]：1）蓝色InGaN、GaN材料，λp=460 nm～465 nm；2）绿色GaPN材料，λp=550 nm；3）黄色 LnGaN、Gap材料，λp=570 nm～590 nm；4）红色 GaPZn-O材料，λp= 680 nm～700 nm。
　　LD 光谱的峰值波长为650 nm 。
　　从LED、LD的峰值波长范围，可以看出它们具有非常好的单色性。LED、LD作为单色光源，完全可以满足干涉、衍射等物理实验的要求。白色LED则可以代替白炽灯作复色光源。
　　1.1 点光源LED、LD的发光体――晶片的面积仅为10.12 mil（1 mil=0.0254 平方毫米），更接近于“点”，而且LD亮度很高，所以LED和LD更适合作点光源，实验效果远好于白炽灯[3-4]。
　　具体应用时，还需对LED、LD做一些改造。生产厂家为了使光线更集中，用环氧树脂封装LED、LD时，在它的发光体――晶片前加装了一个小凸透镜。LED、LD作为点光源使用时，首先要小心地锯掉这个小透镜，露出晶片这个“点”，并轻轻将断面打磨光滑，然后将LED、LD固定在一个支架上。再根据实验需要，构建不同的电路，如图1所示，这样一个点光源就做好了。其中，电阻R1=200 Ω，可变电阻R2=1 K，电源电压为3 V。调整可变电阻R2改变通过LED、LD的电流，可以方便控制点光源的发光强度，以适应不同实验环境的需要，这也是传统气体光源做不到的。不同位置测量到LD光束的光强值见表1，从表中可以看出，去掉小透镜后，光源完全可以满足各种实验要求。
　　
　　1.2 平行光源取一个凸透镜，将上述点光源固定在透镜焦点上，即组成一个平行光源。光束的直径大小，可以通过换用不同焦距的透镜来实现，以满足不同实验的要求。焦距越长，则光束的直径越大。
　　还可以直接使用半导体LD激光器（镜片和透镜位置已调好），作为平行光源。测量标称值功率为1.5 mw～2 mw，工作电压3ｖ的半导体LD激光器，出口处功率略大于2 mw，在距离出口1.5 m处激光功率仍保持在2 mw，完全达到了氦氖激光器光的输出强度。但由于LD激光器使用的透镜焦距很短，所以光束很细，通常可以使用扩束器来扩大光束直径。
　　
　　2 面光源和漫反射光源
　　
　　2.1 面光源LED光色柔和，无眩光。目前国际上出现大晶片LED，晶片面积可达40 mil。取一块30 mm×40 mm的电路板，为使光分布更均匀，选取多个“贴片式”大晶片LED[5]，并将它们集中安装在一起，组成一个高密度阵列面，并将电路（图2所示）的其他部分安装完成。这就组成了一个极好的面光源。
　　
　　由于光源的面积大，光强分布均匀，所以实验效果比传统气体光源要好的多。用LED作光源还有一个好处，根据不同的实验要求，采用不同的封装工艺，可以直接影响光的指向，能精确控制光型及发光角度[6]。
　　2.2 漫反射光源如果在LED阵列面前加一块毛玻璃，既可得到一个漫反射光源，也可以直接将LED前小透镜用砂纸磨毛，省去毛玻璃。另外，可以通过调整电路中的电压，达到控制光源亮度的目的。电路中R1=30 K；R2=10 K；R3=200 Ω；晶体三极管采用9013；电源电压为6 V～12 V。
　　3 频闪光源
　　频闪光源通常用来拍摄运动物体，对其运动轨迹进行分析[5，7-8]。LED、LD响应速度很快，响应时间从使用角度来看，就是LED、LD点亮与熄灭所延迟的时间。不同材料的LED响应时间也有一定的差异，如GaAs、GaAsP、GaAlAs其响应时间＜10-9 S，GaP为10-7 S[9]。因此它们可用在10 MHZ～100 MHZ高频系统。利用LED极高的响应速度，可制成非常好的频闪光源，比现有旧式频闪光源的体积小很多，而亮度更大。可以做成闪光灯式样，与数码照相机直接连接，用于教学演示实验十分方便。由于LED、LD是低压供电，使用时会更方便和安全。
　　将多个高亮度LED安装在电路板上（电路如图3所示），组成的一个发光阵列。利用低频信号发生器作为电源，将这个发光阵列连接到其功率输出端。调整信号发生器的频率，即可改变光源的发光时间间隔，调整信号发生器的输出功率，可以改变光源亮度。在暗背景下，打开频闪光源，用数码相机可以拍摄物体的运动轨迹（如自由落体、平抛等），并可以同时通过投影仪在大屏幕显示轨迹图像，使结果一目了然。如果需要更强的照明，可采用大功率LED（单个1 W以上），同时，也需在信号发生器输出端新增一个功放电路，以提供足够能量给LED组成发光阵列。
　　
　　
　　参考文献
　　[1]孟祥省,李冬梅,姜林.大学普通物理实验[M].济南:山东大学出版社,2004
　　[2]邓剑平,马鸿洋.高亮度LED在物理实验中的应用[J].实验室研究与探索,2003,22(03)
　　[3]Hariharn P.Optical Holography[M].Cambridge: The Press Syndicate of the University,1984
　　[4]孙绍伍,郭赫,孙立勇.LED在物理演示实验中的应用[J].大学物理实验,2006(03):106-110
　　[5]侯建国,陈鸣.高亮度白光发光二极管发光特性的研究[J].光源与照明,2006(02)
　　[6]佘建华.LED光源的应用与发展[J].中国电力教育,2007(02)
　　[7]沈元华,陆申花.基础物理实验[M].高等教育出版社,2005
　　[8]李平.大学物理实验教程[M].北京:机械工业出版社,2003
　　[9]邓云龙,廖常俊.高p型掺杂对高亮度发光二极管的作用[J].半导体技术,2002,27(04)