激光探測(cè)表面波信息

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