李仁芮

(承德石油高等?？茖W(xué)校社科與數(shù)理部，河北承德 067000)

光導(dǎo)瀑布的原理與制作

李仁芮

(承德石油高等?？茖W(xué)校社科與數(shù)理部，河北承德 067000)

根據(jù)光的全反射理論，研究了激光在平拋水流中的傳播規(guī)律，探討了形成光導(dǎo)瀑布的基本思路及其制作方法。

全反射;激光;光導(dǎo)瀑布

光導(dǎo)瀑布是通過水流傳導(dǎo)光束，將激光與水流融合在一起，直觀效果好像紅色的激光順?biāo)?，制作成彩色水流的景觀作品，可以在家庭、公園等場所作為裝飾物，美化環(huán)境，作品運(yùn)行時(shí)賞心悅目，令人心曠神怡。

1 光導(dǎo)瀑布原理

光導(dǎo)瀑布基本思路是利用光線在光導(dǎo)纖維中傳輸?shù)脑?，即光由光密介質(zhì)傳輸?shù)焦馐杞橘|(zhì)，角度合適時(shí)會發(fā)生全反射，在此情形下，光在水流里沿弧線傳播，看上去就像是水流具有了光的顏色，形成了光導(dǎo)瀑布。

全反射是光由光密媒質(zhì)射到光疏介質(zhì)的界面時(shí)，全部被反射回原介質(zhì)內(nèi)的現(xiàn)象。

光由一種介質(zhì)傳播到另一介質(zhì)時(shí)，產(chǎn)生折射(見圖1)，有

當(dāng)入射角θ增加到某一值時(shí)，折射線沿表面進(jìn)行，即折射角為γ=90°，此時(shí)的入射角稱為臨界角c (見圖2)。當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)就形成全反射［1］。產(chǎn)生全反射的條件是:1)光必須由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)。2)入射角θ必須大于臨界角c。

光導(dǎo)纖維是全反射現(xiàn)象的重要應(yīng)用。蜃景的出現(xiàn)是光在空氣中全反射形成的。

使用激光打向水柱，要使光線沿水流經(jīng)多次全反射而傳播，激光和水流要符合一定的角度要求(見圖3)。

依此對激光與水流方向進(jìn)行分析:

1)如果水流與激光同方向，激光的方向性很好，入射角θ幾乎為90°，遠(yuǎn)比臨界角48.6°大，光能沿水流傳播很遠(yuǎn)，像紅色水簾。

2)如果水流是水平流出下落，為了使激光與水“融合”的更好，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整激光角度和水流出口方向，采用出水口向下一個(gè)角度斜拋的方式，使得水流的曲率不要太大，保證激光在水流的更多界面處的入射角大于48.6°，這樣能使激光在水中多次全反射，延長激光水流的弧線長度，使激光在水流中被傳播的更遠(yuǎn)。

2 光導(dǎo)瀑布制作

1)制作材料:激光器，噴水水箱，接水水槽，水泵，彩燈、彩燈控制電路等。

2)制作要點(diǎn):多個(gè)激光器聯(lián)排;上水箱的噴水孔要與激光很好的對應(yīng);設(shè)計(jì)水下彩色燈光控制電路;調(diào)整噴水孔角度;調(diào)整水泵功率等。

3)技術(shù)關(guān)鍵:①激光排的每個(gè)激光頭要與每個(gè)出水孔分別對齊。②水流由一定高度噴下時(shí)，水流強(qiáng)度會受重力、空氣阻力等各種因素的影響而減弱，調(diào)整噴水口的角度，使水流與激光更大程度的角度吻合。③水泵的功率要合適，泵入水箱的水面要超過噴水孔一定高度，但不能滿，以防爆箱。水泵的功率調(diào)整合適，取決于上水箱容量和接水容器的尺寸。

3 作品效果

實(shí)際設(shè)計(jì)的水流弧線長約為60 cm，使激光與水柱達(dá)到最大程度的融合，“彩色水流”弧長約為40 cm，多個(gè)“彩色水柱”組成“彩色瀑布”。

瀑布下接水采用“透明水槽”，在水槽下方安裝彩燈和控制電路板，實(shí)現(xiàn)各色彩燈分時(shí)亮滅，使水槽的水成為彩色，整個(gè)瀑布看起來有一種斑斕奪目的奇異效果。作品整體造價(jià)不高，體積可大可小，可以在不同場合作為裝飾景觀用。

4 作品的創(chuàng)新點(diǎn)

將光線在光導(dǎo)纖維中傳輸應(yīng)用于激光在水流中傳播形成瀑布，比起一般噴泉更具有科技含量，更具有觀賞性。

5 通過科技制作，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

通過光導(dǎo)瀑布的制作團(tuán)隊(duì)的組建、制作方案的設(shè)計(jì)與確定、制作材料的選購、安裝調(diào)試等關(guān)鍵步驟，可有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。經(jīng)過團(tuán)隊(duì)的努力實(shí)現(xiàn)了光導(dǎo)瀑布的設(shè)計(jì)要求，還進(jìn)一步提高了學(xué)生對影響光導(dǎo)瀑布諸因素的全面認(rèn)識。正是制作過程的反復(fù)安裝調(diào)試使作品性能不斷完善，不但鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，而且提高了學(xué)生創(chuàng)新能力、發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力。

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Principle and Manufacturing of Optical Waterfall

LI Ren-rui
(Department of Social Sciences，Mathematics and Physics，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

According to the theory of total reflection of light，this paper studies the law of laser propagation in horizontal projectile water fluid，and discusses the basic idea and method of manufacture in the formation of the optical waterfall.

total reflection light;laser;optical waterfall

O43

B

1008-9446(2012)03-0078-02

2012-03-05

李仁芮(1957-)，女，河北辛集人，社科與數(shù)理部高級實(shí)驗(yàn)師，從事物理及實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究工作。