低頻液體表面波激光衍射條紋的特征及表面波物理參量的測(cè)量.pdf

1、液體表面無論組成、結(jié)構(gòu)、分子所處的能量狀態(tài)，還是受力情況等與體相相比，各方面都有差別，這些差別使得液體表面具有某些特殊的性質(zhì)。而液體表面波蘊(yùn)含著液體表面的一些性質(zhì)，通過研究液體表面波，就可以獲得液體的某些參數(shù)。 液體表面波是沿著液體表面?zhèn)鞑サ囊环N彈性波。要獲得液體及液體表面波的一些特性，就需要建立有效的測(cè)量方法。光學(xué)方法來探測(cè)物質(zhì)的性質(zhì)，它具有無損、非接觸、實(shí)時(shí)快捷等特點(diǎn)，因此備受人們關(guān)注。自上世紀(jì)60年代激光問世以后，激光就被

2、用于研究表面波性質(zhì)。對(duì)于高頻的表面波，絕大部分研究是建立在聲波光衍射的基礎(chǔ)上。根據(jù)聲光衍射原理，如果表面波的頻率越大，則引起的衍射光角分離越大，所以這類實(shí)驗(yàn)大多針對(duì)超聲表面波進(jìn)行。1979年，GWeisbuch等人首次提出了利用液體表面波來實(shí)現(xiàn)光衍射，并以此建立了表面張力的光學(xué)測(cè)量方法。對(duì)于低頻液體表面波，我們?cè)M(jìn)行過專門的研究。在這些研究中，激光衍射法把表面波頻率下延到幾十赫茲。 本文運(yùn)用激光衍射法，研究低頻液體表面波的特性。

3、通過對(duì)低頻液體表面波光衍射的分析，得到了衍射光場(chǎng)的分布和表面波之間的解析關(guān)系。根據(jù)這一關(guān)系，可以測(cè)量液體表面張力，表面波的波長(zhǎng)、振幅等一些物理參量。本文的研究主要內(nèi)容和結(jié)論如下： 1．對(duì)表面波的分類進(jìn)行了歸納，對(duì)表面波的聲光效應(yīng)進(jìn)行了分析歸類。光通過聲場(chǎng)作用下的晶體的衍射效應(yīng)可以分為兩類：拉曼一奈斯衍射和布拉格衍射。聲波場(chǎng)作用下晶體的拉曼一奈斯衍射現(xiàn)象，不但可以看到零級(jí)和一級(jí)條紋，而且可以高于一級(jí)的衍射條紋。布拉格衍射的特點(diǎn)是僅

4、有零級(jí)和一級(jí)衍射光，其他各級(jí)的衍射光已不明顯存在。 2．由流體力學(xué)的動(dòng)量守恒方程，推導(dǎo)出了牛頓流體的運(yùn)動(dòng)方程即納維一斯托克斯方程(Navier-Stokes equation)，簡(jiǎn)稱N-S方程。由N-S方程，再根據(jù)低頻液體表面波的回復(fù)力主要為面積力的特點(diǎn)，簡(jiǎn)化N-S方程，求解該方程，得到低頻液體表面波的波動(dòng)方程。由拉普拉斯公式出發(fā)，再利用勢(shì)函數(shù)的性質(zhì)，推導(dǎo)出液體的色散關(guān)系。 3．低頻液體表面波的激光衍射。對(duì)于頻率高于幾十

5、赫茲的液體表面波，我們觀察到了清晰的、對(duì)比度非常高的激光衍射條紋。在實(shí)驗(yàn)中觀察到了衍射條紋的缺級(jí)，包括零級(jí)條紋的缺級(jí)，并且發(fā)現(xiàn)各級(jí)條紋的強(qiáng)度分布和表面波的振幅相關(guān)。 運(yùn)用傅里葉光學(xué)的理論對(duì)此衍射現(xiàn)象進(jìn)行了分析，討論了低頻液體表面波激光衍射條紋的特征，并與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比，理論和實(shí)驗(yàn)吻合。 4．液體表面波的檢測(cè)和測(cè)量。測(cè)量表面波的方法需根據(jù)測(cè)量要求和表面波頻段而定。我們利用表面波的激光衍射法對(duì)表面波進(jìn)行了檢測(cè)，測(cè)量了液體表