非均勻溫度場(chǎng)中光傳輸熱透鏡效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種非均勻溫度場(chǎng)熱透鏡效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]研宄激光在大氣湍流中傳輸特性具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用意義。在許多激光應(yīng)用領(lǐng)域中，如激光通訊、激光測(cè)距以及激光武器等，不可避免地會(huì)遇到激光束沿非均湍流的傳輸問(wèn)題。
[0003]大氣由氣體分子、液態(tài)水、沙塵、電子、離子以及氣溶膠等組成，由于溫度變化、氣壓和水汽壓起伏等條件的影響，大氣的溫度、濕度和密度等都在不斷地變化。光波在大氣中傳播時(shí)，其性質(zhì)之所以會(huì)發(fā)生改變，其物理本質(zhì)上是由于空氣折射率變化的影響。盡管大氣的折射率和真空的折射率相差無(wú)幾，但是光束在大氣中長(zhǎng)距離傳輸?shù)睦鄯e效應(yīng)卻是非常巨大，往往會(huì)造成光線的畸變，即光束的彎曲、截面的變形、放大(擴(kuò)散)或縮小(匯聚)，使光束質(zhì)量變差。引起空氣折射率起伏變化的根本原因是大氣中溫度場(chǎng)的不均勻性，這就是光在非均勻場(chǎng)中傳輸時(shí)的熱透鏡效應(yīng)。
[0004]如上所述，不均勻大氣在光傳輸時(shí)的熱透鏡效應(yīng)，是光經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的傳輸才顯現(xiàn)，同時(shí)由于大氣的不均勻性，從物理角度看往往是連續(xù)漸變，而非突變，這使得在實(shí)驗(yàn)室很難實(shí)現(xiàn)這一條件。水作為另一種流體，其性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律與大氣非常相近，同時(shí)水的熱容量比空氣大得多，容易在有限體積的水中建立高梯度溫度場(chǎng)，即容易通過(guò)觀察光線在非均勻溫度分布的水中傳輸時(shí)的熱透鏡效應(yīng)，但目前未見(jiàn)到相關(guān)的實(shí)驗(yàn)演示裝置，學(xué)生在接受這一概念時(shí)，基本只能靠想象力來(lái)完成，影響對(duì)其的深刻理解。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題在于提供一種設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、演示效果直觀的非均勻溫度場(chǎng)中光傳輸熱透鏡效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置。
[0006]本發(fā)明所要解決的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題在于提供一種使用非均勻溫度場(chǎng)中光傳輸熱透鏡效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置的演示實(shí)驗(yàn)方法。
[0007]解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:在底座上設(shè)置內(nèi)裝有水的透明水槽，透明水槽右外側(cè)面上設(shè)置有坐標(biāo)紙，透明水槽內(nèi)的前側(cè)壁和后側(cè)壁上至少設(shè)置I個(gè)安裝有半導(dǎo)體制冷片的半導(dǎo)體制冷片支架，半導(dǎo)體制冷片的前側(cè)面為熱面或冷面、且與水平面垂直，半導(dǎo)體制冷片支架和半導(dǎo)體制冷片浸入水中，半導(dǎo)體制冷片上表面到水面的距離至少為100_，在底座上透明水槽外的左側(cè)設(shè)置安裝有半導(dǎo)體激光器的激光器支架，半導(dǎo)體激光器出射的發(fā)散角為10°?20°的激光束透過(guò)水槽的左側(cè)壁，從前后兩側(cè)的半導(dǎo)體制冷片之間的水體中通過(guò)，投射到坐標(biāo)紙上呈現(xiàn)圓形光斑。
[0008]本發(fā)明的透明水槽和半導(dǎo)體制冷片的幾何形狀為長(zhǎng)方體，半導(dǎo)體制冷片的上表面與水平面平行、熱面與透明水槽的長(zhǎng)度側(cè)壁平行。
[0009]本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器出射的發(fā)散角最佳為15°的發(fā)散激光束透過(guò)水槽的左側(cè)壁，投射在坐標(biāo)紙上。
[0010]使用上述的非均勻溫度場(chǎng)中光傳輸熱透鏡效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置的演示實(shí)驗(yàn)方法由下述步驟組成:
[0011]I)調(diào)整半導(dǎo)體激光器的位置、出射光方向，使半導(dǎo)體激光器出射的發(fā)散激光束中心線與透明水槽的縱向中心線相重合，投射到坐標(biāo)紙上，調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器出射發(fā)散角為10°?20°的激光束，透過(guò)透明水槽的左側(cè)壁，從前后兩側(cè)的半導(dǎo)體制冷片之間的水體中通過(guò)，投射到坐標(biāo)紙上呈現(xiàn)圓形光斑。
[0012]2)接通半導(dǎo)體制冷片的電源，20?40分鐘后斷電，手指由上向下緩慢插入水中，然后緩慢取出，感覺(jué)水中由上向下的溫度變化情況。
[0013]3)觀察坐標(biāo)紙上投射的光斑形狀和大小變化，并與半導(dǎo)體制冷片通電前圓形光斑的形狀、大小進(jìn)行比較；
[0014]4)移動(dòng)半導(dǎo)體激光器，保持激光束中心線的水平方向；，使半導(dǎo)體激光器出射激光束在坐標(biāo)紙上投射的光斑上下、左右移動(dòng)，選擇不同位置，觀察光斑的形狀和大?。?br>[0015]5)轉(zhuǎn)動(dòng)半導(dǎo)體激光器，使激光束中心線從不同方向穿過(guò)水槽，投射在坐標(biāo)紙上，觀察坐標(biāo)紙上光斑的形狀和大小變化；
[0016]6)半導(dǎo)體制冷片斷電，攪拌水，待水溫均勻后在坐標(biāo)紙上觀察光斑的形狀和大小變化；
[0017]7)比較分析半導(dǎo)體制冷片通電前后步驟I)、3)、4)、5)、6)中坐標(biāo)紙上投射的光斑形狀和大小變化情況。
[0018]本發(fā)明采用通電并浸于水中的半導(dǎo)體制冷片3，在水槽中建立了溫度上高下低的高梯度溫度場(chǎng)，解決了傳統(tǒng)方法難以在水中快速建立非均勻溫度場(chǎng)的問(wèn)題；同時(shí)采用發(fā)散的激光束穿過(guò)水中的高梯度溫度場(chǎng)后，在坐標(biāo)紙4投射光斑形狀和大小的變化，簡(jiǎn)便、直觀地演示了光線通過(guò)非均勻溫度場(chǎng)時(shí)的熱透鏡效應(yīng)。本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，方法簡(jiǎn)便、學(xué)生參與性強(qiáng)、直觀性好，特別適合在實(shí)驗(yàn)室和課堂條件下的實(shí)驗(yàn)演示。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的主視圖。
[0020]圖2是圖1的俯視圖。
[0021]圖3是透明水槽2內(nèi)的水溫均勻時(shí)坐標(biāo)紙4上投射的圓形光斑照片。
[0022]圖4是半導(dǎo)體制冷片3通電后水中形成梯度溫度時(shí)坐標(biāo)紙4上投射的橢圓形光斑照片。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。
[0024]實(shí)施例1
[0025]在圖1、2中，本實(shí)施例的非均勻溫度場(chǎng)中光傳輸熱透鏡效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置由半導(dǎo)體激光器1、透明水槽2、半導(dǎo)體制冷片3、坐標(biāo)紙4、底座5、激光器支架6、半導(dǎo)體制冷片支架7聯(lián)接構(gòu)成。
[0026]在底座5上放置有透明水槽2，透明水槽2采用有機(jī)玻璃制成，也可采用石英玻璃制成，透明水槽2的幾何形狀為長(zhǎng)方體，透明水槽2內(nèi)裝滿水，透明水槽2的右外側(cè)面上用透明膠粘貼有坐標(biāo)紙4，坐標(biāo)紙4用于顯示投射光斑的形狀。在透明水槽2內(nèi)的前側(cè)壁上固定安裝有I個(gè)半導(dǎo)體制冷片支架7，透明水槽2內(nèi)的后側(cè)壁上固定安裝有I個(gè)半導(dǎo)體制冷片支架7，每個(gè)半導(dǎo)體制冷片支架7上用膠粘接有半導(dǎo)體制冷片3，半導(dǎo)體制冷片支架7和半導(dǎo)體制冷片3浸入水中，半導(dǎo)體制冷片3上表面到水面的距離為100mm，兩個(gè)半導(dǎo)體制冷片3的幾何形狀為長(zhǎng)方體，半導(dǎo)體制冷片3的前側(cè)面為熱面，通過(guò)電源連接極性的調(diào)整，也可使半導(dǎo)體制冷片3的前側(cè)面為冷面，也可使一個(gè)半導(dǎo)體制冷片3的前側(cè)面為熱面、另一個(gè)半導(dǎo)體制冷片3的前側(cè)面為冷面，半導(dǎo)體制冷片3的熱面與水平面垂直，半導(dǎo)體制冷片3的熱面與透明水槽2的前側(cè)壁平行，兩個(gè)半導(dǎo)體制冷片3的水平中心平面在同一個(gè)水平平面內(nèi)。
[0027]在水槽左側(cè)底座5上放置有激光器支架6，激光器支架6上安裝有半導(dǎo)體激光器1，半導(dǎo)體激光器I可在半導(dǎo)體激光器I支架上轉(zhuǎn)動(dòng)，半導(dǎo)體激光器I用于產(chǎn)生出射光方向和發(fā)散角可調(diào)的激光束，半導(dǎo)體激光器I出射的發(fā)散角為15°的激光束透過(guò)透明水槽的左側(cè)壁，經(jīng)兩個(gè)半導(dǎo)體制冷片3之間的水體投射在坐標(biāo)紙4上，在坐標(biāo)紙4上呈現(xiàn)出圓形光斑。
[0028]使用本實(shí)施例非均勻溫度場(chǎng)中光傳輸熱透鏡效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置的演示實(shí)驗(yàn)方法步驟如下:
[0029]1、調(diào)整半導(dǎo)體激光器I的位置、出射光方向，使半導(dǎo)體激光器I出射的發(fā)散激光束中心線與透明水槽2的縱向中心線相重合，投射到坐標(biāo)紙4上，調(diào)節(jié)激光器出射激光束的發(fā)散角為15°，激光束透過(guò)透明水槽2的左側(cè)壁，，從前后兩側(cè)的半導(dǎo)體制冷片3之間的水體中通過(guò)，投射在坐標(biāo)紙4上呈現(xiàn)出圓形光斑。
[0030]2、接通半導(dǎo)體制冷片3的電源，20?40分鐘后斷電，手指由上向下緩慢插入水中，然后緩慢取出，感覺(jué)水中由上向下的溫度變化情況。
[0031]3、觀察坐標(biāo)紙4上投射的光斑形狀和大小變化，并與半導(dǎo)體制冷片3通電前圓形光斑的形狀、大小進(jìn)行比較。
[0032]4、移動(dòng)半導(dǎo)體激光器1，保持激光束中心線的水平方向，使半導(dǎo)體激光器I出射激光束在坐標(biāo)紙4上投射的圓形光斑上下、左右移動(dòng)，選擇不同位置，觀察光斑的形狀和大小。
[0033]5、轉(zhuǎn)動(dòng)半導(dǎo)體激光器1，使激光束中心線從不同方向穿過(guò)水槽，投射在坐標(biāo)紙4上，觀察坐標(biāo)紙4上光斑的形狀和大小變化。
[0034]6、半導(dǎo)體制冷片3斷電，攪拌水，待水溫均勻后在坐標(biāo)紙4上觀察光斑的形狀和大小變化。
[0035]7、比較半導(dǎo)體制冷片3通電前后步驟1、3、4、5、6中坐標(biāo)紙4上投射的圓形光斑形狀和大小變化情況，如圖3、4所示，由圖3、4可見(jiàn)，半導(dǎo)體制冷片3未通電且水溫均勻時(shí)，發(fā)散激光束透過(guò)水在光屏上投射的光斑為圓形，說(shuō)明發(fā)散激光束中所有光線在溫度均勻的水中保持直線傳輸；半導(dǎo)體制冷片3通電后，水溫形成梯度分布，發(fā)散激光束在坐標(biāo)紙4上投射的圓形光斑變?yōu)闄E圓形光斑，說(shuō)明發(fā)散激光束中部分光線在水中傳輸時(shí)發(fā)生了類似光束透過(guò)透鏡時(shí)的折射彎曲現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了非均勻溫度場(chǎng)對(duì)激光束傳輸?shù)臒嵬哥R效應(yīng)的直觀演不O
[0036]實(shí)施例2
[0037]在透明水槽2內(nèi)的前側(cè)壁上固定安裝有I個(gè)半導(dǎo)體制冷片支架7，透明水槽2內(nèi)的后側(cè)壁上固定安裝有I個(gè)半導(dǎo)體制冷片支架7，每個(gè)半導(dǎo)體制冷片支架7上用螺紋緊固聯(lián)接件固定聯(lián)接有I個(gè)半導(dǎo)體制冷片3，半導(dǎo)體制冷片支架7和半導(dǎo)體制冷片3浸入水中，半導(dǎo)體制冷片3上表面到水面的距離為100mm，兩個(gè)半導(dǎo)體制冷片3的幾何形狀以及在透明水槽2內(nèi)的位置與實(shí)施例1相同，兩個(gè)半導(dǎo)體制冷片3的前側(cè)面為熱面，前側(cè)面與水平面垂直、與透明水槽2的長(zhǎng)度前側(cè)壁平行，兩個(gè)半導(dǎo)體制冷片3的水平中心平面在同一個(gè)水平平面內(nèi)。
[0038]在半導(dǎo)體制冷片3長(zhǎng)度方向的水槽左側(cè)底座5上放置有激光器支架6，激光器支架6上安裝有半