自製光譜儀

導語

當科學家們在不斷地突破極限，建設更大更強的粒子對撞機、射電望遠鏡、宇宙探測器時，我們「無線電實驗」也在帶領大家不停地探索我們生活的環境。從客廳到廚房、從洗手間到陽臺，家庭科技製作的魅力在於只需要生活中常見的物品，就可以製造出有趣的科學儀器，就像今天小丁向大家推薦的這款光譜儀。

準備材料

你需要準備好一張DVD光碟、一張A4大小的硬紙板（黑色最好）、膠帶（推薦黑色電工膠帶）。

光譜儀原理

自製光譜儀的關鍵就在於這張DVD光碟。我們看到的光碟之所以會有五顏六色的反光，是因為光碟是由一圈一圈的軌道組成的，而且軌道之間的間距很小（大約0.74微米，而我們的頭髮粗細是30~50微米），光線經過軌道下面的反光膜反射，就形成類似光柵的效果。不過正規光譜儀上的光柵條紋是平行的，而我們所用的光碟上的條紋是一系列同心圓。為了儘量消除弧度帶來的影響，我們最終只用到靠近光碟外圈的一小塊區域。

簡單介紹完原理，下面我們就開始動手吧！

step 1

首先，讓我們回到學校的勞技手工課，製作一個光譜儀的外殼。

按照上面的尺寸在A4大小的深色紙板上畫好輪廓，單位是毫米（mm）。如果你有印表機，那麼把下面的圖片直接保存列印在A4紙上即可。

把列印的A4紙鋪在深色紙板上，（或直接是畫好輪廓的紙板）用剪刀剪出上面的形狀。

*注意，務必嚴格按上述尺寸裁剪。

step 2

在紙板上開出光碟插槽、光線入射孔和觀察窗，然後折成方形盒子的形狀。

step 3

用黑紙板為光碟做一塊遮光板，大小如下圖，在中間下方開一個20*10mm的方形孔。

注意一定要用黑色無反光的紙或布，小丁用黑色膠帶纏的就不是很理想，在高亮光源下膠帶表面還是有一定的反光。

step 4

把蓋上遮光板的光碟放入盒子裡，光碟的上面部分從盒子背後的橫槽伸出，下面正好抵住方形盒子的稜邊。

實際組裝圖如下

stpe 5

用黑膠帶把盒子的邊邊角角都包好，防止漏光，特別是光碟插槽的位置一定要封好。

下面這個是小丁做的，雖然不是很美觀，但它拍到的光譜卻令人驚羨。

原則上光線入口的狹縫越細越好，但在紙板上開一條細窄的狹縫並不容易，而且還要保證邊緣不毛糙。這裡有個小技巧：首先開一個較大的方形孔，然後再用黑膠帶封上，只留一細窄狹縫，如下圖。

至此，一臺小巧的光譜儀就做好了，把光線入口對準光源，眼睛貼在觀察窗口（注意一定要緊貼住），你就能看到不同光源發出的美侖美奐的光譜了。

下面展示給大家的光譜圖，就是用這臺手工打造的光譜儀拍到的。只要把手機攝像頭貼在觀察窗就可以了，如果你的手機有大光圈、微距功能，還能拍拍出更好的效果。

各種光源的光譜

我們知道白光是由多種顏色的光合成的，像太陽光，通過三稜鏡後會分成各種顏色的光，這也是能形成彩虹的原因。我們生活中的日光燈、LED燈雖然也是白色的，但我們的眼睛卻能感覺到差別，為什麼呢？就讓光譜儀來告訴我們答案吧。

　

　從上面的光譜中，你能看出門道來嗎？

下面跟著小丁來一場光的科學之旅吧！

  螢光燈其實就是汞燈的玻璃罩上塗了螢光粉，所以螢光燈的光譜保留了汞燈的特徵譜線。我們看到的藍色線對應436納米，綠色對應546納米，黃色雙線對應577、579納米波長。

汞燈光譜圖

所以汞燈燈光就是這幾種光混合的結果，通常呈帶青綠的白色，人眼看起來並不是很舒服。（下圖受相機白平衡的影響，並不是汞燈的真實顏色）

實驗室汞燈

我們平時看到的白熾燈燈光多發黃、偏暖，而從上面的光譜看來，它在紅光部分相對其它光源的光譜確實要強很多，很好印證了這一點。事實上，白熾燈的光強是隨著波長而增加的，如下圖。只不過人眼對不同波長光的敏感程度不同，所以雖然紅外部分光線更強，我們已經兩眼抓瞎了。

白熾燈光譜曲線

近年來，由於移動電子設備的普及，藍光對人眼的傷害也日益加劇。特別是晚上看手機，屏幕發出的藍光會抑制褪黑素的分泌；褪黑素是「體內安眠藥」，它在調整人體的晝夜節律方面發揮著重要作用。現在你知道為什麼現代人的睡眠質量越來越差了吧。在上面所有測試光源中，白熾燈中的藍光成分是最少的。想每天睡覺前看會兒書？請把臥室的燈換成白熾燈吧。

　　自然光是太陽發射的光線經過大氣吸收後到達地面的光線，上面光譜是陰天拍攝的結果。可以看到藍綠部分較為均勻，而到紅色部分則迅速衰減。當然不同的天氣條件下，所測的光譜也會有區別。比如早晨或傍晚時分，只有波長較長的紅光才能穿透較厚的大氣層，其光譜自然紅色成分居多。

自然光的光譜

看到自然光中滿是養眼的綠色，你是不是想給太陽公公點個讚？其實，人眼就是根據太陽的光線特點進化而來的，這才導致我們的眼睛對太陽光譜中成分最多的綠色最為敏感。

LED燈作為新型節能光源，越來越頻繁地出現在我們的生活中。那麼它的光譜到底如何呢？

不同種類的LED燈，光譜會有很大的差別，上面拍到的光譜來自一隻普通冷白色的LED燈，我們看到它最大的特點是藍色與綠色之間有段缺失的地帶。

LED產生白光有三種方式：

1. 紅綠藍LED，即RGB三種顏色的LED燈混成白光；

2. 紫外LED激發紅綠藍螢光粉，再合成白光；

3. 藍光LED激發黃色螢光粉，藍光與黃光混成白光。

前兩種方式都可以通過單獨調節紅綠藍的發光強度來調節色調，第三種方式則只能調節藍光與黃光的比例，稍顯單調，但製造成本更低。

由此看來，我們所拍的LED燈屬於第三種發光方式。

　　前些年，我們還能看到使用高壓鈉燈的路燈。由於燈光昏黃、色調單一，人在這樣的燈下走著走著，就有了恍惚的感覺，更別提開車了，所以近些年漸漸被新型節能燈所取代。

不過從鈉燈的光譜中，我們還能領略到它當年照耀各個重要路段、場所的風彩。那閃耀的黃光穿過細小的狹縫，把我們光譜儀的小暗盒照了個通徹透亮。

實驗室中的鈉燈

下圖是高壓鈉燈的光譜分布圖，對不起，黃色部分已經超過量程，不予顯示。

高壓鈉燈的光譜

本文創意來自論文"A DVD Spectroscope: A Simple, Hight Resolution Classroom Spectroscope", Journal of Chemical Educaion Vol. 83 No.1 2006: 56.