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        激光探測(cè)表面波信息

        2015-01-29 19:46:13王文成張君善
        中國(guó)新通信 2014年13期
        關(guān)鍵詞:表面波振幅

        王文成 張君善

        【摘要】 實(shí)驗(yàn)上建立了測(cè)量液體表面波振幅的激光檢測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中CCD每隔0.0625s采集一次圖樣。利用計(jì)算機(jī)軟件掃描、分析采集到的圖樣,求出了液體表面波的振幅。對(duì)于一定深度的液體,研究了液體表面波上升時(shí)的動(dòng)態(tài)過(guò)程,結(jié)果表明,表面波上升過(guò)程中其振幅隨時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律增大,計(jì)算得到上升系數(shù)。

        【關(guān)鍵詞】表面波 振幅 上升系數(shù)

        探測(cè)液體表面波的物理特性,在水下探測(cè)和海洋學(xué)方面有著重要的應(yīng)用[1]。早在二十世紀(jì)七十年代末,Weisbuch等人首次采用光衍射的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)液體表面波特性的測(cè)量[2],奠定了用光學(xué)方法探究液體表面物理性質(zhì)的基礎(chǔ)。W.M.Klipstein等人采用光散射技術(shù)測(cè)量表面波[3]。我們也對(duì)液體表面波進(jìn)行激光探測(cè),并得到了很好的實(shí)驗(yàn)效果[4]。本文建立了液體表面波振幅隨時(shí)間變化的測(cè)量裝置,分析了表面波隨時(shí)間的上升過(guò)程。

        一、實(shí)驗(yàn)裝置

        一圓柱形重錘從一定高度落到光學(xué)平臺(tái)上使臺(tái)面產(chǎn)生振動(dòng)。樣品池中盛滿蒸餾水。臺(tái)面振動(dòng)會(huì)引起液體表面產(chǎn)生表面波。He-Ne激光器發(fā)射的激光束以1.47rad的入射角射到樣品池中液面的中心位置處。激光經(jīng)液體表面波調(diào)制后的反射圖樣呈現(xiàn)在觀察屏上。觀察屏距離入射光點(diǎn)8.6m。用PikeF-421B型CCD采集圖樣,CCD每隔0.0625s采集一次圖樣并將采集到的圖樣自動(dòng)儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)。

        二、理論分析

        如圖1所示。液體表面波波函數(shù)近似為Y=Acos(wt-tx)(1)

        A為表面波振幅,波矢量k=2τ/A,A為表面波波長(zhǎng)。波長(zhǎng)為入的激光束射到液體表面波上,根據(jù)干涉條件:

        A[sin O -sin(θψ-)]=jλ(j為整數(shù))時(shí)產(chǎn)生干涉極大值。

        相鄰光斑的間隔相對(duì)于入射點(diǎn)的張角△ψ近似為Aψ=d/L,L是觀察屏與入射光點(diǎn)之間的距離,d是相鄰光斑的間隔,則A:L入/(dcos o),將(1)式兩邊對(duì)x求導(dǎo)得Y=kAsin(wt-kx),有tanψ/2)=kAsin(wt-kx),是干涉圖樣的寬度,則DL=4arctan(kA) (2)圖1表面波的光干涉

        圖2表面波的上升圖樣

        三、實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

        實(shí)驗(yàn)時(shí),在光學(xué)平臺(tái)上方釋放重錘,重錘撞擊臺(tái)面引起樣品池中的液體表面產(chǎn)生波動(dòng),。用CCD連續(xù)拍攝入射激光被波面調(diào)制后的反射圖樣。在單次實(shí)驗(yàn)拍攝到的圖樣中,每隔0.125s選取一張圖樣,如圖3所示。由式(2)可知,圖樣的寬度與表面波的振幅有關(guān),光斑級(jí)數(shù)越多,說(shuō)明表面波的振幅越大。圖2可以看出,與圖樣相對(duì)應(yīng)的液體表面波的振幅隨時(shí)間變大。

        利用MATLAB軟件分別對(duì)圖3中各個(gè)圖樣進(jìn)行掃描,根據(jù)掃描數(shù)據(jù),計(jì)算出對(duì)應(yīng)的液體表面波的振幅值,分別為0μm、1.3μm、2.5μm、3.7μm、5.8μm、8.Oμm、10.8 LL m。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用最小二乘法進(jìn)行擬合,根據(jù)擬合曲線可知,液體表面波的振幅隨時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律增大,并計(jì)算得到蒸餾水表面波的上升系數(shù)為27μm/s。

        參 考 文 獻(xiàn)

        [1] BARTER J D.Surface strain modulation ofinsoluble surface film properties [J].Phys Fluids,1994,6(8):2606~2612

        [2] WEISBUCH G,GARBAY F.Light scattering by surface tension waves [J].American Journal of Physics,1979,47(4):355~356

        [3] KLIPSTEIN W M, RADNICH J S,LAMOREAUX S K.Thermally excited liquid surface waves and their study through thequasielastic, scattering of light[J].Americ,an Journal of Physic,s,1996,64:758-765

        [4]茁潤(rùn)才,王文成,許佳婷.液體對(duì)微振動(dòng)的放大效應(yīng)[J].光子學(xué)報(bào),2012,41(10):1205~1210

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