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 данной работы заключается в том, что исследуемая среда зондируется лазерным лучом. 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 темного поверхностного слоя.

4. Получить устойчивое явление «фата-моргана» в неоднородной жидкости.

5. Построить графические зависимости n(h) и n(T) и сравнить их с реальным отклонением лазерного луча в оптически неоднородной жидкости.

Оснащение и оборудование, использованное в работе

• Плоскопараллельная кювета размером 50х120х350 мм

• Лампа накаливая мощностью 500 Вт

• Рефрактометр серии PAL

• Датчик температур цифровой лаборатории Relab

• Шланг

Описание

Исследование выполнено в три этапа.

1. Изучение литературных источников, отражающих состояние проблемы, изучение способов создания оптически неоднородных жидкостей.

2. Построение кюветы для экспериментов с оптически неоднородными жидкостями, проведение экспериментов.

3. Обработка результатов исследований, обобщение и систематизация собранного материала, оформление исследовательского проекта.

Чтобы на опыте наблюдать, как свет распространяется в оптически неоднородной среде, нужно создать такую среду и сделать ход светового пучка в ней видимым. Для этого необходимо взять две смешивающиеся жидкости с разными показателями преломления и аккуратно расположить одну над другой. Жидкости будут взаимно диффундировать друг в друга, и постепенно между ними образуется переходный слой с плавным изменением показателя преломления в вертикальном направлении.

Гипотеза: вместе с поворотом волновой поверхности произойдет и поворот лучей, так что образованный лазерным лучом световой пучок изогнется в сторону от меньших к большим значениям показателя преломления жидкости.

Эксперимент 1 выполнялся с концентрированным раствором соли, который располагался под водным раствором после диффузии, длившейся 1,5 часа.

В расположенную горизонтально плоскопараллельную кювету размером 50х120х350 мм вначале залили подкрашенную хвойным концентратом воду. Затем в 3-х литровую самодельную воронку налили подкрашенный раствор поваренной соли. Погрузили шланг в воду и направили его выходное отверстие на стенку кюветы возле ее дна. Вытекающий раствор соли стал растекаться по дну кюветы и вытеснять воду вверх.

Эксперимент 2 выполнялся с концентрированным сахарным сиропом, который располагался под водным раствором после диффузии, длившейся 24 часа.

Эксперимент 3 выполнялся с раствором глицерина, который располагался под водным раствором после диффузии, длившейся 1 час.

Эксперимент 4. Распространение света в неравномерно нагретой воде.

Гипотеза: лазерный луч будет отклоняться в сторону менее нагретой жидкости.

Опыт выполнялся с раствором воды, который снизу охлаждался кубиками льда (были притоплены железными шариками), а вверху прогревался лампой накаливания мощностью 500 Вт. Определялась зависимость отклонения лазерного луча от времени прогрева воды. Температура определялась с помощью датчика температур цифровой лаборатории Relab.

Эксперимент 5. Распространение света в неравномерно нагретой воде при наличии поверхностного нефтяного слоя.

Гипотеза: лазерный луч не будет отклоняться в сторону менее нагретой жидкости вследствие большой оптической плотности и коэффициента светопоглощения нефти (150 – 900 ед.).

Опыт выполнялся с раствором воды, который снизу охлаждался кубиками льда (были притоплены железными шариками), а вверху прогревался лампой накаливания мощностью 500 Вт. Поверхностный слой – это слой сырой нефти с показателем преломления 1,49; температура = 21,8 ºС. Определялась зависимость отклонения лазерного луча от времени прогрева воды. Температура определялась с помощью датчика температур цифровой лаборатории Relab.

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 и 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

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

Открытая московская инженерная конференция школьников «Потенциал» – обладатель диплома III степени.