CN109637313A - 透明固体介质热光效应演示实验装置 - Google Patents

透明固体介质热光效应演示实验装置 Download PDF

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Abstract

一种透明固体介质热光效应演示实验装置，在底座上右侧设透明水槽，底座上左侧设有安装半导体激光器的激光器支架，在透明水槽内后侧壁上设半导体制冷片支架，半导体制冷片支架上设半导体制冷片，透明导光板的左端设置在透明水槽的左侧壁、右端设置在透明水槽的右侧壁，透明导光板的水平中心平面与水平入射的激光束平行，透明导光板的水平中心面与半导体制冷片的水平中心面在同一个水平平面上。本发明利用通电后半导体制冷片在透明水槽内水中建立温度上高下低的梯度温度场，在浸入水中的透明导光板内建立温度上高下低的梯度温度场，解决了传统方法难以在大尺度透明块状固体介质中稳定建立梯度温度的技术问题，直观地演示了透明固体介质的热光效应。

Description

透明固体介质热光效应演示实验装置
技术领域
本发明属于光学实验仪器技术领域，具体涉及到一种透明固体介质热光效应演示实验装置。
背景技术
几乎所有的光学材料都具有热致折射率变化的特性，即热光效应，当光束经过局域热源作用下折射率梯度分布的介质时会发生偏向，利用这种特性可做成各种热光器件。热光效应作为光学材料的基本物性，在光电器件的设计与制造中具有非常重要的意义。目前已有关于透明液体热光效应的实验演示装置，如中国发明专利申请(申请号201710543136.0)“非均匀介质中光传输特性实验装置与实验方法”，公开了一种在水中建立梯度温度场，利用激光束水平通过水中呈现的弯曲传播现象，直观演示水的热光效应的技术方案，而关于固体介质热光效应的研究，目前基本都是针对固体薄膜材料开展的，很少涉及块状固体介质热光效应的研究，但要直观演示固体介质的热光效应，必须在大尺度的透明块体固体介质中建立稳定的梯度温度，而目前没有相关报道，演示透明固体介质热光效应的实验装置目前处于空白状态，因此，迫切需要研制一种能直观演示透明块状固体介质热光效应的实验装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺点，提供一种设计合理、结构简单、演示效果直观的大尺度透明固体介质热光效应演示实验装置。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：在底座上右侧设置装有水的透明水槽，底座上左侧设置有安装半导体激光器的激光器支架，在透明水槽内后侧壁上设置有半导体制冷片支架，半导体制冷片支架上设置有半导体制冷片，透明导光板的左端设置在透明水槽的左侧壁、右端设置在透明水槽的右侧壁，半导体激光器射出的激光束从透明导光板的左端射入、从透明导光板的右端射出，透明导光板的水平中心平面与水平入射的激光束平行，透明导光板的水平中心面与半导体制冷片的水平中心面在同一个水平平面上。
本发明的水平入射激光束的中轴线与透明导光板的水平中心平面之间的距离L为20mm。
本发明的半导体制冷片的冷面或热面与透明水槽的内后侧壁平行。
本发明的半导体制冷片支架至少设置2个，每个半导体制冷片支架上设置有1个半导体制冷片，半导体制冷片的尺寸相同、高度相同、功率相同。
本发明的透明导光板的厚度d为6～15mm，透明导光板的下侧面与透明水槽内底面的距离h为40mm。
本发明采用了通电并浸于水中的半导体制冷片，在透明水槽内水中建立温度上高下低的梯度温度场，在浸于水中的透明导光板内也形成温度上高下低的梯度分布，解决了传统方法难以在大尺度透明块状固体介质中稳定建立梯度温度的技术问题；同时基于光线传输过程中向折射率大的区域偏折的原理，通过观察激光束透过透明导光板时的弯曲径迹，简便、直观地演示了透明固体介质的热光效应。本发明装置具有结构简单、成本低、方法简便、直观性好的优点，本发明适用于实验室和课堂条件下的实验演示。
附图说明
图1是本发明的实施例1的主视图。
图2是图1的俯视图。
图3是激光束在温度均匀的透明导光板3中的水平直线径迹照片。
图4是激光束在具有梯度温度的透明导光板3中的弯曲径迹照片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1-4所示，本实施例的透明固体介质热光效应演示实验装置由半导体激光器1、半导体制冷片支架2、透明导光板3、透明水槽4、底座5、激光器支架6、半导体制冷片7联接构成。
在底座5上右侧放置有透明水槽4，透明水槽4内装有水，在透明水槽4内后侧壁上安装有2个半导体制冷片支架2，半导体制冷片支架2上安装有半导体制冷片7，半导体制冷片7的尺寸相同、高度相同、功率相同，半导体制冷片7的冷面或热面与透明水槽4的内后侧壁平行，半导体制冷片支架2和半导体制冷片7浸入水中。透明导光板3的左端安装在透明水槽4的左侧壁、右端安装在透明水槽4的右侧壁，透明导光板3的水平中心平面与水平入射的激光束平行，水平入射的激光束的中轴线与透明导光板3的水平中心平面之间的距离为20mm，透明导光板3的水平中心面与半导体制冷片7的水平中心面在同一个水平平面上，透明导光板3为透明有机玻璃板，或浮法玻璃板，或石英玻璃板，透明导光板3的厚度d为10mm，透明导光板3的下侧面与透明水槽4内底面的距离h为40mm，透明导光板3与半导体制冷片7高度相同，透明导光板3的水平中心面与半导体制冷片7的水平中心面在同一个水平平面上，通电后的半导体制冷片7在水中建立起温度上高下低的垂直梯度温度场，在浸于水中的透明导光板3中同步形成温度上高下低的梯度分布。底座5上左侧安装有激光器支架6，激光器支架6上安装半导体激光器1，半导体激光器1射出的激光束从透明导光板3的左端射入、从透明导光板3的右端射出。半导体制冷片7未通电时，透明水槽4内水中的温度均匀，浸于水中的透明导光板3内的温度也是均匀的，通过透明导光板3内的水平激光束如图3所示水平直线传输；通电后的半导体制冷片7在透明水槽4内水中逐渐形成上高下低的梯度温度分布，同时在浸于水中的透明导光板3内也同步形成温度上高下低的梯度分布，这时通过透明导光板3内的激光束如图4所示呈现出向下弯曲状态。
实施例2
在底座5上右侧放置有透明水槽4，透明水槽4内装有水，在透明水槽4内后侧壁上安装有2个半导体制冷片支架2，半导体制冷片支架2上安装有半导体制冷片7，半导体制冷片7的尺寸相同、高度相同、功率相同，半导体制冷片7的冷面或热面与透明水槽4的内后侧壁平行。透明导光板3的左端安装在透明水槽4的左侧壁、右端安装在透明水槽4的右侧壁，透明导光板3的水平中心平面与水平入射的激光束平行，水平入射的激光束的中轴线与透明导光板3的水平中心平面之间的距离为20mm，透明导光板3的水平中心面与半导体制冷片7的水平中心面在同一个水平平面上，透明导光板3的厚度d为6mm，透明导光板3的下侧面与透明水槽4内底面的距离h为40mm，透明导光板3与半导体制冷片7高度相同，透明导光板3的水平中心面与半导体制冷片7的水平中心面在同一个水平平面上。底座5上左侧安装有激光器支架6，激光器支架6上安装半导体激光器1，半导体激光器1射出的激光束从透明导光板3的左端射入、从透明导光板3的右端射出。
其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。
实施例3
在底座5上右侧放置有透明水槽4，透明水槽4内装有水，在透明水槽4内后侧壁上安装有2个半导体制冷片支架2，半导体制冷片支架2上安装有半导体制冷片7，半导体制冷片7的尺寸相同、高度相同、功率相同，半导体制冷片7的冷面或热面与透明水槽4的内后侧壁平行。透明导光板3的左端安装在透明水槽4的左侧壁、右端安装在透明水槽4的右侧壁，透明导光板3的水平中心平面与水平入射的激光束平行，水平入射的激光束的中轴线与透明导光板3的水平中心平面之间的距离为20mm，透明导光板3的水平中心面与半导体制冷片7的水平中心面在同一个水平平面上，透明导光板3的厚度d为15mm，透明导光板3的下侧面与透明水槽4内底面的距离h为40mm，透明导光板3与半导体制冷片7高度相同，透明导光板3的水平中心面与半导体制冷片7的水平中心面在同一个水平平面上。底座5上左侧安装有激光器支架6，激光器支架6上安装半导体激光器1，半导体激光器1射出的激光束从透明导光板3的左端射入、从透明导光板3的右端射出。
其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。
本发明的工作原理如下：
当半导体制冷片7未通电时，透明水槽4内的水温处于常温状态，浸于水中的透明导光板3内的温度也是均匀的，半导体激光器1出射的激光束在透明导光板3内沿水平方向直线传输；当半导体制冷片7接通电源，半导体制冷片7的热面加热，靠近热面的水温升高、密度减小，向透明水槽4上部连续迁移，同时半导体制冷片7冷面吸热，靠近冷面的水温降低，水温降低、密度增大，在重力作用下，连续向透明水槽4下部迁移，透明水槽4内水中逐渐形成上高下低的梯度温度分布，同时在浸于水中的透明导光板3内也同步形成温度上高下低的梯度分布，由光线传输过程中向折射率大的区域偏折的原理可知，这时通过透明导光板3内的激光束呈现出向下弯曲状态，直观地显示了透明导光板3内温低处折射率大的特性，直观演示透明固体介质热光效应。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种透明固体介质热光效应演示实验装置，在底座(5)上右侧设置装有水的透明水槽(4)，底座(5)上左侧设置有安装半导体激光器(1)的激光器支架(6)，其特征在于：在透明水槽(4)内后侧壁上设置有半导体制冷片支架(2)，半导体制冷片支架(2)上设置有半导体制冷片(7)，透明导光板(3)的左端设置在透明水槽(4)的左侧壁、右端设置在透明水槽(4)的右侧壁，半导体激光器(1)射出的激光束从透明导光板(3)的左端射入、从透明导光板(3)的右端射出，透明导光板(3)的水平中心平面与水平入射的激光束平行，透明导光板(3)的水平中心面与半导体制冷片(7)的水平中心面在同一个水平平面上。
2.根据权利要求1所述的透明固体介质热光效应演示实验装置，其特征在于：所述的水平入射激光束的中轴线与透明导光板(3)的水平中心平面之间的距离L为20mm。
3.根据权利要求1所述的透明固体介质热光效应演示实验装置，其特征在于：所述的半导体制冷片(7)的冷面或热面与透明水槽(4)的内后侧壁平行。
4.根据权利要求1所述的透明固体介质热光效应演示实验装置，其特征在于：所述的半导体制冷片支架(2)至少设置2个，每个半导体制冷片支架(2)上设置有1个半导体制冷片(7)，半导体制冷片(7)的尺寸相同、高度相同、功率相同。
5.根据权利要求1或所述的透明固体介质热光效应演示实验装置，其特征在于：所述的透明导光板(3)的厚度d为6～15mm，透明导光板(3)的下侧面与透明水槽(4)内底面的距离h为40mm。
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