摘" 要：激光筆通過內(nèi)置激光二極管發(fā)出激光，熒光油墨在可見光或紫外光照射時(shí)發(fā)射較低波長的熒光。橄欖油包含豐富的葉綠素，具有不同的酸度。利用激光筆、熒光油墨和橄欖油開展多個(gè)幾何光學(xué)與熒光實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對于光的傳播規(guī)律和波粒二象性本質(zhì)的理解。

關(guān)鍵詞：激光筆；熒光油墨；橄欖油；波粒二象性；光學(xué)實(shí)驗(yàn)；熒光實(shí)驗(yàn)

文章編號：1671-489X（2025）07-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.07.

0" 引言

激光筆又稱激光指示筆，通過內(nèi)置的激光二極管發(fā)出不同顏色和波長的激光，具有輕巧便攜、發(fā)射波長單一穩(wěn)定、方向指示性好等優(yōu)點(diǎn)。熒光油墨（墨水）屬于功能性發(fā)光顏料，在防偽印刷和包裝等領(lǐng)域應(yīng)用普遍[1]。不同種類的熒光油墨包含各種熒光化合物，可見光或紫外光照射時(shí)，熒光化合物吸收部分入射光的能量，發(fā)射較低波長的可見光，形成不同顏色熒光。橄欖油是一種常見的植物油，包含豐富的葉綠素。利用激光筆、熒光油墨和橄欖油為主要材料，可以開展多項(xiàng)幾何光學(xué)和熒光實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對光的傳播規(guī)律和波粒二象性本質(zhì)的認(rèn)識(shí)與理解。

1" 羅丹明溶液光學(xué)實(shí)驗(yàn)

為了實(shí)驗(yàn)人員的安全，通常小功率激光筆（功率5 mW以下）發(fā)射的激光難以直接觀察其傳播路徑，因此，一些教師采用向空氣中噴灑煙霧或面粉、將牛奶和顏料等滴入水中的方法，利用空氣或水中的懸浮微粒對激光的散射作用清晰地顯示激光路徑。下面介紹應(yīng)用綠色激光筆（波長532 nm）、固定支架、CD空白光盤、玻璃缸、羅丹明B溶液、線香等器材，開展幾何光學(xué)的反射、折射、衍射、全反射等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

把CD光盤切割為3 cm寬、5 cm長的切片，將切片固定在玻璃缸底部，反射記錄面向上。羅丹明B（Rhodamine B）是一種桃紅色的人工合成染料，易溶于水和乙醇，稀釋溶液發(fā)出熒光[2]。在水中加入適量的羅丹明B，直到溶液顯示粉色；在玻璃缸中加入一半高度的水溶液；點(diǎn)燃線香伸入玻璃缸內(nèi)部，等待幾分鐘后，上部空間充滿煙霧；把線香拿出來，用玻璃蓋子封閉玻璃缸；用支架固定激光筆，發(fā)射的激光通過玻璃缸側(cè)壁后傾斜穿透煙霧，照射到CD切片的表面。實(shí)驗(yàn)中，在確保周圍環(huán)境暗淡的情況下，可以清楚顯示玻璃缸中激光的傳播路徑。在玻璃缸上部空間，煙霧微粒對于激光具有散射作用；在玻璃缸下部溶液區(qū)域，羅丹明B產(chǎn)生熒光作用，清晰地顯示激光傳播路徑。

用數(shù)碼相機(jī)在適當(dāng)?shù)奈恢脤?zhǔn)玻璃缸容器拍攝，確保光軸和容器的中心重合。通過拍攝的光路圖照片，可以得到激光在不同入射角度的幾何光路圖，如圖1所示。對測量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，可以驗(yàn)證幾何光學(xué)中的反射定律、折射定律、衍射定律等理論，也能夠計(jì)算出水相對于空氣的折射率。

CD或DVD光盤具有特殊的構(gòu)造，由基板、染料層、反射層、印刷層組成?；逵蓸渲牧螾C構(gòu)成，PC層的光透過率為90%，折射率為1.538。染料層厚度約100 nm，光盤通過壓制在信息存儲(chǔ)層上的細(xì)小坑點(diǎn)來貯存信息，這些不同時(shí)間長度的坑點(diǎn)和坑點(diǎn)之間的平臺(tái)組成由里向外分布的螺旋線光道。當(dāng)激光掃描光盤表面分布的光道，經(jīng)過轉(zhuǎn)換而讀取光盤存儲(chǔ)的信息。通常CD光盤表面上相鄰螺旋光道的間距為1.5 μm，DVD光盤相鄰螺旋光道的間距為0.74 μm，光盤內(nèi)徑和外徑為厘米量級，光道近似平行且等間距，當(dāng)激光照射在光盤面，光盤像反射光柵一樣能夠發(fā)生光柵衍射現(xiàn)象[3]。

本實(shí)驗(yàn)顯示了激光照射光盤產(chǎn)生的衍射光線路徑和傳播規(guī)律。激光波長為532 nm，從空氣中以入射角θ=57°進(jìn)入溶液，折射角θ=39°。應(yīng)用斯涅爾定律，已知空氣折射率n0=1，可以計(jì)算水溶液折射率n=1.33，激光在水溶液中波長變?yōu)?00 nm。當(dāng)折射光線I以39°的入射角傾斜射向CD切片，CD切片像反射光柵一樣發(fā)生衍射。光柵方程：

d（sinθm-sinθ）=mλ（m=1，0，–1，-2…）（1）

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，θ1=63°，θ0=39°，θ-1=21°，θ-2=5°，θ-3=13°，θ-4 =26.5°，θ-5=46°，θ-6=78°，計(jì)算得出λ/d=0.27，光柵常量d=1.48 μm。從CD切片發(fā)出的各條衍射光線重新進(jìn)入空氣中，依舊滿足相關(guān)的折射定律。只有光線I1發(fā)生全反射，因?yàn)樗娜肷浣牵?3°）大于水和空氣交界面的全反射角（48.7°），光線I1重新進(jìn)入水溶液中。

2" 熒光油墨光學(xué)實(shí)驗(yàn)

熒光墨水的化學(xué)成分比較復(fù)雜，例如：吡喃類染料是一種芘染料，通常加入熒光素用于制造黃色熒光墨水，將一種芘染料和三苯基甲烷染料混合能夠產(chǎn)生綠色墨水；酸藍(lán)9是一種三苯基甲烷染料，用于制造藍(lán)色熒光墨水，通常與增色化合物結(jié)合使用，如陰離子二苯乙烯衍生物；黃雜蒽染料和香豆素染料可混合用于制造橙色墨水；羅丹明染料用于制造粉紅色熒光墨水，將羅丹明染料與三苯基甲烷染料結(jié)合可以制造紫色熒光墨水。熒光現(xiàn)象并不罕見，使用綠色或紫色激光筆照射橄欖油、可樂、焦糖溶液都可以發(fā)出熒光。用激光筆照射熒光墨水，需要滿足一定的條件才會(huì)產(chǎn)生熒光。使用波長

650 nm的紅色激光筆分別照射綠色、黃色、粉色的熒光墨水，紅色激光不會(huì)引發(fā)熒光墨水產(chǎn)生熒光，因?yàn)榧t色光波的能量較小，無法激發(fā)綠色或黃色染料分子產(chǎn)生受激輻射。

為了消除激光傳播過程中顏色變化產(chǎn)生的影響，直觀清晰地對幾何光學(xué)進(jìn)行可視化實(shí)驗(yàn)，下面介紹使用紅色激光筆和綠色熒光墨水進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。油墨顆粒直徑小且數(shù)量眾多，懸浮在水中狀態(tài)穩(wěn)定，通過散射作用可以清晰顯示激光的傳播路徑。

實(shí)驗(yàn)器材包括：裝滿水的透明矩形水箱、一個(gè)較小的透明方形容器、圓形丙烯酸板（亞克力板）、棱鏡、凹面丙烯酸板、燒杯，CD光盤[4]。

把綠色熒光墨水滴入裝有水的透明玻璃容器內(nèi)，調(diào)節(jié)溶液濃度直到清楚地看見激光傳播路徑。如把玻璃容器裝入1/3體積的水，滴入大約10滴綠色熒光墨水并且混合均勻。為了探究平面鏡、凹面鏡、凸面鏡對光的傳播作用，利用兩個(gè)或三個(gè)紅色激光筆構(gòu)成平行光束。如通過圓形丙烯酸板的平行光發(fā)生匯聚，丙烯酸板折射率為1.49，水的折射率為1.33，從空氣進(jìn)入水中，然后穿透丙烯酸板的平行光發(fā)生一個(gè)很小的偏轉(zhuǎn)。把丙烯酸板放置在暴露于空氣中的方形容器中，由于水和塑料、空氣和塑料的折射率不同，平行光匯聚后焦距變短。激光從空氣進(jìn)入放在水中的棱鏡，顯示一個(gè)小的偏差。當(dāng)棱鏡放置在方形容器中，由于水和玻璃、空氣和玻璃的折射率不同，激光傳播時(shí)偏差角變大。通過凹形丙烯酸板的光在水中的發(fā)散比在空氣中的發(fā)散要小?？招臒梢猿洚?dāng)一個(gè)凹透鏡，而不是凸透鏡。

本裝置可以演示光的折射、全反射、衍射等過程，為學(xué)生探究光的直線傳播規(guī)律提供可視化的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

3" 橄欖油熒光實(shí)驗(yàn)

1905年，愛因斯坦發(fā)表論文《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)》，首次應(yīng)用光量子概念解釋光致發(fā)光（熒光）、光電效應(yīng)等現(xiàn)象。他認(rèn)為光輻射與物質(zhì)相互作用時(shí)能量是一份一份的，光輻射的能量本身是量子化，一份能量就是能量的最小單元，稱為光量子或光子。光量子的出現(xiàn)宣告量子光學(xué)誕生，極大地推動(dòng)了量子物理的發(fā)展。光致發(fā)光（熒光）是物質(zhì)吸收光子（電磁波）后重新輻射出光子（電磁波）的過程，熒光物質(zhì)吸收光能，能量在物質(zhì)微觀層面重新分布，電子從低能級向高能級躍遷過程遵循量子力學(xué)的規(guī)律，如波粒二象性、量子躍遷等。

橄欖油是一種富含葉綠素的植物油，外觀呈黃綠色，相對密度為0.908～0.915 g/cm3，分為初榨橄欖油和精煉橄欖油兩個(gè)不同等級。利用不同酸度和等級品質(zhì)的橄欖油和激光筆，可以開展有趣的熒光實(shí)驗(yàn)[5]。如圖2所示，玻璃杯裝有一半體積的水，上層是某品牌的特級初榨橄欖油。用波長

532 nm的綠色激光筆照射，采用煙霧法顯示激光在空氣中的傳播路徑。當(dāng)激光進(jìn)入橄欖油，發(fā)出黃色的熒光。部分學(xué)生錯(cuò)誤地認(rèn)為因?yàn)殚蠙煊捅旧眍伾屈S色，所以發(fā)出黃色的熒光。

激光照射橄欖油會(huì)產(chǎn)生三種現(xiàn)象。

1）瑞利散射。當(dāng)粒子尺度遠(yuǎn)小于入射光波長（小于波長的1/10），各方向的散射光強(qiáng)度不一樣，強(qiáng)度與入射光的波長四次方成反比，散射光線在光線前進(jìn)方向和反方向上的程度是相同的，在與入射光線垂直的方向上程度最低。橄欖油分子直徑范圍在0.3～1.2 nm，綠色激光的波長為532 nm，激光照射到橄欖油時(shí)不會(huì)改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL，只是改變光的傳播方向。

2）吸收光。激光與橄欖油發(fā)生相互作用，激光的電磁輻射能量部分被橄欖油吸收并轉(zhuǎn)化為其他形式能量。

3）發(fā)射熒光。橄欖油分子吸收一定形態(tài)的光能，向各個(gè)方向發(fā)射較低波長的可見光（熒光）。由于散射光向不同方向傳播，可以看見綠色激光。當(dāng)激光穿透橄欖油層時(shí)，黃色熒光強(qiáng)度大于散射綠光，人眼看見淡黃色。

分別使用紅色與藍(lán)紫色激光筆，在裝滿初榨橄欖油的玻璃杯后面照射，激光沒有直接穿透油層。透過油層觀察可以發(fā)現(xiàn)紅色激光，但是看不到藍(lán)紫激光。由于初榨橄欖油包含大量的葉綠素，對葉綠素的吸收光譜實(shí)驗(yàn)顯示存在兩個(gè)較大的吸收光譜帶，一個(gè)在藍(lán)色區(qū)域，另外一個(gè)在紅色區(qū)域。橄欖油就像一個(gè)強(qiáng)烈的吸收機(jī)器，吸收大量散射的藍(lán)紫光。少量藍(lán)紫激光可以產(chǎn)生熒光，但是發(fā)光效率低，眼睛無法觀察到。紅色激光可以發(fā)生90°偏折，說明紅色散射光占據(jù)優(yōu)勢，橄欖油分子吸收紅光很少。

如果用功率較高的藍(lán)紫色激光直接照射初榨橄欖油，肉眼可以看見紅色熒光，紅色熒光在橄欖油中傳播一段距離后消失。初榨橄欖油含有大量高濃度葉綠素成分，受到激光照射發(fā)出紅色熒光，其他包含葉綠素的溶液也可以發(fā)出熒光。葉綠素發(fā)出的熒光容易熄滅在水中，有機(jī)非極性溶液更容易激發(fā)葉綠素分子發(fā)出熒光。紅色熒光停留在油層表面區(qū)域，這是熒光現(xiàn)象中的內(nèi)濾效應(yīng)（Inner Filter Effect）。如果存在較多葉綠素分子，入射光數(shù)量不多，熒光局限在油層的表面發(fā)生，入射光被橄欖油全部吸收后，熒光在短距離內(nèi)消失。

橄欖油熒光實(shí)驗(yàn)表明，物質(zhì)發(fā)射熒光與激發(fā)光的波長沒有關(guān)系，只要物質(zhì)能夠吸收入射光波，使用藍(lán)色激光或綠色激光發(fā)出熒光的強(qiáng)度存在差異，藍(lán)色激光產(chǎn)生最強(qiáng)的紅色熒光效應(yīng)。同時(shí)，用不同品牌的橄欖油進(jìn)行熒光實(shí)驗(yàn)，結(jié)果存在差異。使用煙霧顯示激光在空氣中的路徑，用綠色激光連續(xù)照射兩個(gè)不同品牌的初榨橄欖油，由于油品的酸度不同，激光穿透1號橄欖油時(shí)出現(xiàn)紅色熒光，穿透2號橄欖油時(shí)出現(xiàn)黃色熒光。

4" 結(jié)束語

光學(xué)是一門歷史悠久的學(xué)科，光的傳播規(guī)律、光的本質(zhì)等相關(guān)研究一直在不斷發(fā)展。20世紀(jì)初，愛因斯坦創(chuàng)造性地提出光子說，解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象。康普頓效應(yīng)卻表明光具有波動(dòng)性，由此光的波粒二象性本質(zhì)被正式確定下來。除了傳統(tǒng)的幾何光學(xué)與波動(dòng)光學(xué)，近年來迅猛發(fā)展的量子光學(xué)開始深入地探討光子的性質(zhì)等規(guī)律。光不僅是傳遞信息的載體，也是能量的載體，可以幫助人類更好地認(rèn)識(shí)和改變自然世界。本文介紹了利用激光筆、熒光油墨和橄欖油開展多個(gè)幾何光學(xué)和熒光實(shí)驗(yàn)，教師還可以引導(dǎo)學(xué)生利用花生油、菜籽油、茶油等多種不同的油料，采用不同顏色和波長的激光筆開展熒光實(shí)驗(yàn)，利用身邊的器材探究光的本性等科學(xué)現(xiàn)象和問題，讓學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)科學(xué)來自生活，生活中蘊(yùn)含科學(xué)的道理。

5" 參考文獻(xiàn)

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