Распространение лазерного излучения в оптически неоднородных жидких средах: на примере явления «ФАТА-МОРГАНА»

Актуальность

Лазерная диагностика потоков жидкости и газа – область физики, которая имеет важное научно-практическое значение, а именно: исследование естественной конвекции в жидкости около нагретых тел плоской и сферической формы и получение количественной информации о градиенте температуры в нестационарном режиме.

Актуальность работы заключается в том, что исследуемая среда зондируется лазерным лучом. И в процессе распространения излучения в оптически неоднородной среде происходит изменение его траектории, что приводит к смещению луча в плоскости регистрации, а это, в свою очередь, позволяет изучать сложный теплообмен для оптически неоднородных сред, например, морской воды.

Цель

Установление общей взаимосвязи между показателем преломления неоднородной жидкости; её температурой и отклонением лазерного луча от прямолинейного направления.

Задачи

1. Структурировать и изучить научную литературу по данной тематике.
2. Сконструировать кювету для проведения экспериментов с неоднородной жидкостью.
3. Провести экспериментальные исследования изменения направления распространения лазерного луча в зависимости:
   • от показателя преломления неоднородной жидкости;
   • температурного градиента однородной жидкости и жидкости с наличием тёмного поверхностного слоя.
4. Получить устойчивое явление «фаты-морганы» в неоднородной жидкости.
5. Построить графические зависимости [n(h) и n(T)] и сравнить их с реальным отклонением лазерного луча в оптически неоднородной жидкости.
6. Экспериментально доказать, что в неоднородной жидкости угол отклонения падающих лучей от первоначального направления зависит от длины волны падающего света: с увеличением длины волны угол отклонения уменьшается.
7. Экспериментально доказать, что в трёх однородных жидкостях [жидкое мыло (снизу), вода и подсолнечное масло (сверху)] можно наблюдать полное внутреннее отражение в воде.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Плоскопараллельная кювета размером 50х120х350 мм
• Лампа накаливания мощностью 500 Вт
• Рефрактометр серии PAL
• Датчик температур цифровой лаборатории Relab
• Персональный компьютер с установленным на него ПО

Описание

Исследования явления проводились автором в течение 2019–2020 гг. в три этапа.

Последовательность выполнения работы

I этап: изучение литературных источников, отражающих состояние проблемы, и способов создания оптически неоднородных жидкостей.

II этап: построение кюветы для экспериментов с оптически неоднородными жидкостями, выполнение экспериментов.

Фата-моргана возникает в тех случаях, когда в нижних слоях атмосферы образуется (обычно вследствие разницы температур) несколько чередующихся слоёв воздуха различной плотности, способных давать зеркальные отражения. Проведём несколько последовательных экспериментов.

1. Пучок света, искривлённый оптически неоднородной жидкостью (концентрированный раствор соли).

2. Пучок света, искривлённый оптически неоднородной жидкостью (концентрированный раствор сахарного сиропа).

3. Пучок света, искривлённый оптически неоднородной жидкостью (раствор вода–глицерин).

III этап: обработка результатов исследований – обобщение и систематизация собранного материала; оформление исследовательского проекта.

В работе над проектом автор использовал следующие методы исследования:

• теоретический анализ и обобщение;
• эмпирический;
• методы математической статистики.

Результаты работы/выводы

1. Образованный лазерным лучом световой пучок изгибается в сторону от меньших к большим значениям показателя преломления для любой неоднородной жидкости:
   • соляного раствора;
   • сахарного сиропа;
   • раствора глицерина.
2. В неравномерно нагретой жидкости световой пучок изгибается в сторону от более нагретой к менее нагретой жидкости.
3. В неравномерно нагретой жидкости с поверхностным нефтяным слоем лазерный луч не будет отклоняться в сторону менее нагретой жидкости вследствие большой оптической плотности и коэффициента светопоглощения нефти.

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» –­ призёр.

Открытая Московская инженерная конференция «Потенциал» ­– диплом III степени.

Открытая городская научно-практическая конференция «Наука для жизни» ­– победитель.

Московский городской конкурс проектов –­ победитель.

Мнение автора о своей работе, проекте «Инженерный класс в московской школе», конференции «Инженеры будущего», пожелания

«Эта работа была очень познавательна, я узнал много нового.

Я хотел бы сказать, что инженерный класс – это хорошая идея, которую следует ввести во все школы»