CN107481602A - 非均匀介质中光传输特性实验装置与实验方法 - Google Patents

Abstract

一种非均匀介质中光传输特性实验装置，包括设在底座上的多路温度测试仪和内装有水的透明水槽，设置在透明水槽内的左侧壁上安装有半导体制冷片的半导体制冷片支架，半导体制冷片支架和半导体制冷片浸入水中，设在透明水槽前侧外底座上安装有半导体激光器的激光器支架，设在透明水槽内的前、后侧壁上各1个梯度板支架，设在梯度板支架上的梯度板，设在透明水槽右侧壁外上的坐标板，它还包括设在底座上的径迹测量器。实验时将径迹测量器在坐标板上从激光束在透明水槽的入射处沿激光束的径迹移动到透明水槽上激光束的出射处，在坐标板上横坐标用径迹测量器观测管读取一次观测点处激光束在坐标板的纵坐标，得激光束在温度梯度场中的传输径迹。

Description

非均匀介质中光传输特性实验装置与实验方法

技术领域

本发明属于光学实验仪器技术领域，具体涉及一种非均匀介质中光传输特性实验装置。

背景技术

非均匀介质中光的传输特性，既揭示了“海市蜃楼”等自然现象的物理本质，又在大气光学、激光通信、光纤通信、激光遥感等长光程传输领域的研究和梯度折射率光学元器件的设计与制造等现代科技中获得了非常广泛的应用。然而人们对光线在非均匀介质中的弯曲传输现象，始终存在一定程度的神秘感。这一方面是由于人们自小形成的光直线传播概念的“根深蒂固”，另一方面是在日常生活中目视可见的范围内，难以位于光线的侧面观察光线的弯曲传输现象。这都给学生深刻理解非均匀介质中光的传输特性带来了很大的困难。显然，如果利用实验手段能观察到非均匀介质中光的弯曲传输径迹，定量化研究光线径迹与介质折射率梯度分布大小、方向之间的关系，对深化学生关于非均匀介质中光传输特性的理解，强化学生对非均匀介质中光传输特性的应用与产品研发能力，面向大众普及科学知识，都具有非常重要的意义。但相关的实验仪器在国内外一直处于空白，主要受在实验室内难以快速、低成本的获得大尺度、高梯度、可重复使用的梯度折射率介质这一技术瓶颈的制约。

如上所述，设计研制“非均匀介质中光传输特性实验仪器”的技术难点在于大尺度、高梯度、可重复使用的梯度折射率介质的获得。梯度折射率介质有气体、液体、固体三种介质，但受介质光学特性的物理极限或目前梯度折射率材料制备成本与工艺水平或环境因素的制约，在实验室内一直无法获得可满足实验要求的梯度折射率介质。

其一，气体介质中难以形成高梯度折射率。受“海市蜃楼”现象的启示，人们首先想到的自然是在实验室空间的空气中建立温度梯度场，让学生从侧面观察光线在梯度温度空气中的弯曲传输径迹，研究光的传输规律。但由于空气的比热容很小，空气中能形成的温度梯度很小且受环境影响而难以稳定，这意味着光线只有经过长距离传输后才能形成可目视的偏折(弯曲)。这也是自然界“海市蜃楼”中看到的“景物”往往是几十公里甚至上百公里外的“景物”的像的原因。因此，国内外还没有在实验室内有限空间的空气中，实现非均匀介质中光弯曲传输特性观察与研究的报道。

其二，难以获得大尺度固体梯度折射率介质。尽管通过教科书学生知道了光在梯度(渐变)光纤、自聚焦透镜等光学材料和器件中的弯曲传输，但折射率渐变光学器件的尺寸都非常小，最大的只有几个毫米。显然无法目视其中光线的传输形态。而采用人工方法制备大尺度固体梯度折射率介质的成本极高，目前的工艺水平甚至不可能实现。因此更不可能用其构造实验教学仪器。

其三，液体中难以建立尺度和梯度可控的梯度折射率场。利用在液体建立梯度折射率场来演示“海市蜃楼”现象，是目前国内外唯一的实验演示方法。其特征都是利用透明水槽底部放置大颗粒盐(或糖块)的自然溶解，在透明水槽中形成垂直方向的浓度梯度场，根据液体浓度与折射率的关系，获得梯度折射率介质。但存在以下几方面的问题：(1)大颗粒盐(或糖块)自然溶解形成要求浓度梯度的时间很长，一般需要超过140多小时，而放置1个月左右，浓度梯度又会不可恢复的自然消失，因此实验效率低，无法重复使用。(2)大颗粒盐(或糖块)自然溶解形成的浓度梯度和尺度不可控，梯度的定量测量难度很大。(3)自然形成的浓度梯度的稳定性受环境温度、振动影响大，且不能移动。以上几点都使得利用大颗粒盐(或糖块)的自然溶解形成的梯度折射率场无法定量研究非均匀介质中光传输特性，只能利用其模拟演示“海市蜃楼”现象，而无法进行定量化实验。

以上几点成为国内外研制非均匀介质中光传输特性实验仪器的技术瓶颈，并且多年来一直没有取得突破，致使相关的实验仪器在国内外一直空白。

为解决上述技术问题，发明人所在的课题组设计了《在水中建立梯度温度场的实验装置》，并申请了专利，专利号为ZL201510358994.9，已被国家知识产权局授予发明专利权。该专利公开了采用浸入水中的半导体制冷片，在水中建立梯度温度场的装置，其特征是“透明透明水槽内的前侧壁和后侧壁上至少设置有1个半导体制冷片支架，每个半导体制冷片支架上设置有1个半导体制冷片，半导体制冷片支架和半导体制冷片浸入水中”。这一结构特征虽然在水中能快速建立梯度温度场，使透明水槽中的水成为梯度折射率介质，实现光在非均匀介质中传输特性的实验演示。但这种结构在水中建立的梯度温度场在垂直方向的线性梯度范围很小，一般只有3－4cm，光线在透明水槽内水平的传输过程中很快会进入非线性梯度温度区域(非线性梯度折射率区域)，使得定量化研究光在透明水槽内的梯度折射率介质中的传输特性非常困难。因此，设计一种能在透明水槽内的水中建立大尺度线性梯度温度场的实验装置，对于定量实验研究光在非均匀介质中的传输特性是迫切需要的。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题在于克服上述在水中建立梯度温度场的实验装置所存在缺点，提供一种设计合理、结构简单、演示效果直观的非均匀介质中光传输特性实验装置。

本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种使用非均匀介质中光传输特性实验装置的实验方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：包括设置在底座上的多路温度测试仪和内装有水的透明水槽，设置在透明水槽内的左侧壁上安装有半导体制冷片的半导体制冷片支架，半导体制冷片支架和半导体制冷片浸入水中，设置在透明水槽前侧外底座上安装有半导体激光器的激光器支架，包括设置在透明水槽内的前侧壁、后侧壁上各1个梯度板支架，设置在梯度板支架上的梯度板，设置在透明水槽右侧壁外上的坐标板，它还包括设置在底座上的径迹测量器。

本发明的梯度板支架的几何形状为∏形，两个梯度板支架的开口端相对设置，两个梯度板支架的竖直中心线位于同一个平面内、且与透明水槽的底面垂直，在梯度板支架的下部加工有销轴槽孔或3个销轴孔，销轴孔或销轴槽孔的中心线位于同一条直线上且与透明水槽的底面垂直。

本发明的梯度板是高度为10～14cm的有机玻璃板，梯度板的水平中心线与半导体制冷片的水平中心线在同一水平面内。

本发明的径迹测量器为：在底板上设置有观测管，观测管的中心线与底板垂直，观测管用不透光材料制成，观测管的内径为1～3mm、长度为30～50mm。

使用上述的非均匀介质中光传输特性实验装置的实验方法由下述步骤组成：

1、在透明水槽内加入水，梯度板支架上安装高度为10～14cm的梯度板，多路温度测试仪放置于底座上，将多路温度测试仪的温度传感器放入梯度板与透明水槽右侧壁之间水中。

2、调整半导体激光器的位置，使半导体激光器射出的激光束处于距离透明水槽底面高度为13cm的水平面上、并平行于梯度板，通过梯度板与透明水槽右侧壁之间的水域。

3、接通半导体制冷片和多路温度测试仪的电源，多路温度测试仪开始采集水中竖直方向的温度分布变化的数据，观察激光束径迹的变化情况；当半导体制冷片通电60～70分钟后，激光束径迹的弯曲程度不再变化，同时通过多路温度测试仪观测透明水槽内水中竖直方向的温度分布变化的数据，继续采集温度分布至100分钟，得到梯度板与透明水槽右侧壁之间水中竖直方向的温度梯度曲线。

4、透明水槽内水中竖直方向的温度梯度稳定后，测量水中激光束径迹，将径迹测量器在坐标板上从激光束在透明水槽的入射处沿激光束的径迹移动到透明水槽上激光束的出射处，在坐标板上横坐标每隔1cm用径迹测量器观测管读取一次观测点处激光束在坐标板上的纵坐标，得到激光束在温度梯度场中的传输径迹。

本发明的有益效果：本发明采用在半导体制冷片与透明水槽内右侧壁之间的前侧壁和后侧壁上设置不同高度的梯度板，在梯度板与透明水槽内右侧壁之间的水中建立了不同线性梯度和尺度的线性梯度温度场，解决了在透明水槽中建立大尺度线性梯度温度场的技术难点问题，为学生定量化实验研究梯度折射率介质中的光传输特性创造了必要条件。同时，本发明提供的水中激光束径迹的非接触测量方法，有效地解决了测量过程的水中梯度温度场分布的影响，提高了光束径迹测量的精度，解决了已有技术存在的缺点，满足了学生进行非均匀介质中光传输特性定量研究的需要。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是图1的右视图。

图4是图1中梯度板支架3的主视图。

图5是图4的A-A剖面图。

图6是图1中径迹测量器8的结构示意图。

图7是实施例1中高度为12cm的梯度板4与透明水槽5右侧壁之间水中竖直方向的温度梯度曲线。

图8是实施例2中高度为10cm的梯度板4与透明水槽5右侧壁之间水中竖直方向的温度梯度曲线。

图9是实施例3中高度为14cm的梯度板4与透明水槽5右侧壁之间水中竖直方向的温度梯度曲线。

图10是实施例1实验方法中光束径迹测量方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1、2中，本实施例的非均匀介质中光传输特性实验装置由半导体制冷片支架1、半导体制冷片2、梯度板支架3、梯度板4、透明水槽5、坐标板6、多路温度测试仪7、径迹测量器8、底座9、激光器支架10、半导体激光器11联接构成。

在底座9上放置有透明水槽5，透明水槽5采用有机玻璃制成，透明水槽5的几何形状为长方体，透明水槽5内装满水。在透明水槽5内的左侧壁上用胶粘接固定安装有半导体制冷片支架1，半导体制冷片支架1上固定安装有半导体制冷片2，半导体制冷片支架1和半导体制冷片2浸入水中，半导体制冷片2的几何形状为长方体，半导体制冷片2的左侧面为热面、右侧面为冷面，通过电源连接极性的调整，也可使半导体制冷片2的左侧面为冷面、右侧面为热面，半导体制冷片2的热面与水平面垂直，半导体制冷片2与透明水槽5的左侧壁平行。在透明水槽5内的前、后侧壁上用胶各粘接有1个梯度板支架3，梯度板支架3的几何形状为∏形，两个梯度板支架3的开口端相对设置，两个梯度板支架3的竖直中心线位于同一个平面内、且与透明水槽5的底面垂直，在梯度板支架3的下部加工有3个销轴孔，3个销轴孔的中心线位于同一条直线上且与透明水槽5的底面垂直，用销轴插入销轴孔内将梯度板4固定安装在梯度板支架3上，3个销轴孔可以用销轴安装3种不同高度的梯度板4，梯度板4为3种不同高度的不良导热体非金属版，本实施例采用高度为12cm的有机玻璃板，梯度板4的水平中心线与半导体制冷片2的水平中心线在同一水平面内。在透明水槽5右侧壁外上用胶粘贴有坐标板6，坐标板6上刻制有横坐标和纵坐标刻度，一条横坐标刻度与相邻一条横坐标刻度之间的距离为10mm，也可刻制成5mm，一条纵坐标刻度与相邻一条纵坐标刻度之间的距离为10mm，也可刻制成5mm，坐标刻度用于测量透明水槽5内水中的激光束径迹。在底座9上还放置有多路温度测试仪7和径迹测量器8，多路温度测试仪7由深圳市深华轩科技有限公司生产，型号为SH-X型，多路温度测试仪7用于测量和显示梯度板4与透明水槽5右侧壁之间水中竖直方向的温度梯度，实验时，径迹测量器8配合坐标板6使用。

图4、5给出了径迹测量器8的结构示意图。在图4、5中，本实施例的径迹测量器8由底板8-1、观测管8-2联接构成。底板8-1的形状为正方形，用透明有机玻璃制成，在底板8-1的中心位置用胶粘接有观测管8-2，观测管8-2的中心线与底板8-1垂直、并通过底板8-1的中心线，观测管8-2用不透光材料制成，观测管8-2的内径为2mm，长度为40mm。使用时，径迹测量器8的底板8-1在坐标板6上沿激光束传输径迹移动，通过观测管8-2观测水中激光束径迹，在坐标板6上标注或记录激光束的径迹坐标。

在透明水槽5前侧外底座9上放置有激光器支架10，激光器支架10上用螺纹紧固联接件固定联接安装有半导体激光器11，半导体激光器11可在激光器支架10上转动，半导体激光器11用于产生激光，通过转动半导体激光器11，调整激光出射方向，半导体激光器11出射的激光束透过透明水槽5的前侧壁，激光束穿过水中梯度温度场后的弯曲径迹如图7所示。激光束水平通过透明水槽5时，激光束向下弯曲。

使用上述非均匀介质中光传输特性实验装置的实验方法步骤如下：

1、在透明水槽5内加入深度为18cm的水，梯度板支架3上用销轴安装高度为12cm的梯度板4，多路温度测试仪7放置于底座9上，将多路温度测试仪7的温度传感器放入梯度板4与透明水槽5右侧壁之间水中，多路温度测试仪7用于测量和显示梯度板4与透明水槽5右侧壁之间水中竖直方向的温度梯度。

2、调整半导体激光器11的位置，使半导体激光器11射出的激光束处于距离透明水槽5底面高度为13cm的水平面上、并平行于梯度板4，通过梯度板4与透明水槽5右侧壁之间的水域。

3、接通半导体制冷片2和多路温度测试仪7的电源，多路温度测试仪7开始采集水中竖直方向的温度分布变化的数据，观察激光束径迹的变化情况。当半导体制冷片2通电60～70分钟后，激光束径迹的弯曲程度不再变化，同时通过多路温度测试仪7观测透明水槽5内水中竖直方向的温度分布变化的数据，看到每隔10分钟的温度分布曲线趋于平行，说明水中竖直方向的温度梯度达到稳定，继续采集温度分布至100分钟，得到梯度板4与透明水槽5右侧壁之间水中竖直方向的温度梯度曲线，如图7所示。

4、水中竖直方向的温度梯度稳定后，按照图10所示，测量水中激光束径迹。将径迹测量器8在坐标板6上从激光束在透明水槽5的入射处沿激光束的径迹移动到透明水槽5上激光束的出射处，在坐标板6上横坐标每隔1cm用径迹测量器8观测管8-2读取一次观测点处激光束在坐标板6上的纵坐标，得到如图7所示的激光束在温度梯度场中的传输径迹。

实施例2

本实施例中，在透明水槽5内的前、后侧壁上用胶各粘接有1个梯度板支架3，梯度板支架3的几何形状为∏形，两个梯度板支架3的竖直中心线位于同一个平面内、且与透明水槽5的底面垂直，在梯度板支架3的下部加工有3个销轴孔，3个销轴孔的中心线位于同一条直线上且与透明水槽5的底面垂直，用销轴插入销轴孔内将梯度板4固定安装在梯度板支架3上，3个销轴孔可以用销轴安装3种不同高度的梯度板4，梯度板4为3种不同高度的不良导热体非金属版，本实施例的梯度板4采用高度为10cm的有机玻璃板，梯度板4的水平中心线与半导体制冷片2的水平中心线在同一水平面内。

实验时，配合坐标板6使用的有径迹测量器8。本实施例的径迹测量器8由底板8-1、观测管8-2联接构成，观测管8-2的内径为1mm，长度30mm。径迹测量器8的其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

使用本实施例非均匀介质中光传输特性实验装置的实验方法步骤如下：

1、在透明水槽5内加入深度为18cm的水，梯度板支架3上用销轴安装高度为10cm的梯度板4，多路温度测试仪7放置于底座9上，将多路温度测试仪7的温度传感器放入梯度板4与透明水槽5右侧壁之间水中，多路温度测试仪7用于测量和显示梯度板4与透明水槽5右侧壁之间水中竖直方向的温度梯度。

其它步骤与实施例1相同。得到如图8所示的激光束在温度梯度场中的传输径迹。

实施例3

本实施例中，在透明水槽5内的前、后侧壁上用胶各粘接有1个梯度板支架3，梯度板支架3的几何形状为∏形，两个梯度板支架3的竖直中心线位于同一个平面内、且与透明水槽5的底面垂直，在梯度板支架3的下部加工有3个销轴孔，3个销轴孔的中心线位于同一条直线上且与透明水槽5的底面垂直，用销轴插入销轴孔内将梯度板4固定安装在梯度板支架3上，3个销轴孔可以用销轴安装3种不同高度的梯度板4，梯度板4为3种不同高度的不良导热体非金属版，本实施例的梯度板4采用高度为14cm的有机玻璃板，梯度板4的水平中心线与半导体制冷片2的水平中心线在同一水平面内。

实验时，配合坐标板6使用的有径迹测量器8。本实施例的径迹测量器8由底板8-1、观测管8-2联接构成，观测管8-2的内径为3mm，长度50mm。径迹测量器8的其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

使用本实施例非均匀介质中光传输特性实验装置的实验方法步骤如下：

1、在透明水槽5内加入深度为18cm的水，梯度板支架3上用销轴安装高度为14cm的梯度板4，多路温度测试仪7放置于底座9上，将多路温度测试仪7的温度传感器放入梯度板4与透明水槽5右侧壁之间水中，多路温度测试仪7用于测量和显示梯度板4与透明水槽5右侧壁之间水中竖直方向的温度梯度。

其它步骤与实施例1相同。得到如图9所示的激光束在温度梯度场中的传输径迹。

从以上实施例的结果图7、图8、图9看出，随着梯度板4的高度增加，梯度板4与透明水槽5右侧壁之间水中竖直方向的线性梯度温度尺度增加，线性梯度温度场的梯度减小，激光束传输径迹的弯曲程度减小；梯度板4的高度减小，则梯度板4与透明水槽5右侧壁之间水中竖直方向的线性梯度温度尺度减小，线性梯度温度场的梯度增加，激光束传输径迹的弯曲程度增加。这些现象与梯度折射率光学完全相符。结合梯度折射率光学的相关理论，可以定量验证梯度折射率介质中的光束径迹方程。

Claims (5)

1.一种非均匀介质中光传输特性实验装置，包括设置在底座(9)上的多路温度测试仪(7)和内装有水的透明水槽(5)，设置在透明水槽(5)内的左侧壁上安装有半导体制冷片(2)的半导体制冷片支架(1)，半导体制冷片支架(1)和半导体制冷片(2)浸入水中，设置在透明水槽(5)前侧外底座(9)上安装有半导体激光器(11)的激光器支架(10)，其特征在于：包括设置在透明水槽(5)内的前侧壁、后侧壁上各1个梯度板支架(3)，设置在梯度板支架(3)上的梯度板(4)，设置在透明水槽(5)右侧壁外上的坐标板(6)，它还包括设置在底座(9)上的径迹测量器(8)。

2.根据权利要求1所述的非均匀介质中光传输特性实验装置，其特征在于：所述的梯度板支架(3)的几何形状为∏形，两个梯度板支架(3)的开口端相对设置，两个梯度板支架(3)的竖直中心线位于同一个平面内、且与透明水槽(5)的底面垂直，在梯度板支架(3)的下部加工有销轴槽孔或3个销轴孔，销轴孔或销轴槽孔的中心线位于同一条直线上且与透明水槽(5)的底面垂直。

3.根据权利要求1所述的非均匀介质中光传输特性实验装置，其特征在于：所述的梯度板(4)是高度为10～14cm的有机玻璃板，梯度板(4)的水平中心线与半导体制冷片(2)的水平中心线在同一水平面内。

4.根据权利要求1所述的非均匀介质中光传输特性实验装置，其特征在于所述的径迹测量器(8)为：在底板(8-1)上设置有观测管(8-2)，观测管(8-2)的中心线与底板(8-1)垂直，观测管(8-2)用不透光材料制成，观测管(8-2)的内径为1～3mm、长度为30～50mm。

5.一种使用权利要求1的非均匀介质中光传输特性实验装置的实验方法，其特征在于由下述步骤组成：

1)在透明水槽(5)内加入水，梯度板支架(3)上安装高度为10～14cm的梯度板(4)，多路温度测试仪(7)放置于底座(9)上，将多路温度测试仪(7)的温度传感器放入梯度板(4)与透明水槽(5)右侧壁之间水中；

2)调整半导体激光器(11)的位置，使半导体激光器(11)射出的激光束处于距离透明水槽(5)底面高度为13cm的水平面上、并平行于梯度板(4)，通过梯度板(4)与透明水槽(5)右侧壁之间的水域；

3)接通半导体制冷片(2)和多路温度测试仪(7)的电源，多路温度测试仪(7)开始采集水中竖直方向的温度分布变化的数据，观察激光束径迹的变化情况；当半导体制冷片(2)通电60～70分钟后，激光束径迹的弯曲程度不再变化，同时通过多路温度测试仪(7)观测透明水槽(5)内水中竖直方向的温度分布变化的数据，继续采集温度分布至100分钟，得到梯度板(4)与透明水槽(5)右侧壁之间水中竖直方向的温度梯度曲线；

4)透明水槽(5)内水中竖直方向的温度梯度稳定后，测量水中激光束径迹，将径迹测量器(8)在坐标板(6)上从激光束在透明水槽(5)的入射处沿激光束的径迹移动到透明水槽(5)上激光束的出射处，在坐标板(6)上横坐标每隔1cm用径迹测量器(8)观测管(8-2)读取一次观测点处激光束在坐标板(6)上的纵坐标，得到激光束在温度梯度场中的传输径迹。