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1、毕业论文利用激光衍射研究透明液体的浸润特性利用激光衍射研究透明液体的浸润特性摘要:对液滴表面的光学衍射效应进行实验研究。当用一束准直、扩束的激光束自下而上，垂直照射水平放置的平板上的静态液滴表面时，得到了清晰、稳定的衍射图样。衍射图样的强度分布随着入射光束半径的变化而变化。当激光束半径改变到某一特定大小时，衍射图样中心条纹消失。通过对衍射条纹的分布与液体表面形态的理论分析，并根据物理光学原理，得到了条纹强度分布与激光束半径和入射面液面最大高度之问比值是相关的。基于这一发现，提出了一种液滴浸润角的非接触、有效的实验方法。关键词:光学效应；静态液滴；傅里叶变换Using laser diffrac
2、tion to research the Infiltration characteristics of Transparent liquidLiu Xianchao(Institute of Physics and Electrical Engineering,Anyang Normal University,Anyang,Henan 455000)Abstract: On the droplet surface, optical diffraction effect of the experimental study. When a beam collimation, beam expan
3、der of the laser beam from bottom to top, the vertical radiation on the horizontal flat surface of a static drop, get a clear, stable diffraction pattern. Diffraction pattern of the incident beam intensity distribution with the radius changes. When the laser beam radius changes to a specific size, t
4、he diffraction pattern center stripe disappeared. The distribution of the diffraction pattern through the liquid surface and form the theoretical analysis and physical optics based on the principle of fringe intensity distribution obtained with the laser beam radius and the maximum height of the sur
5、face plane of incidence is related to Q ratio. Based on this discovery, a non-contact droplet wetting angle, the effective experimental methods显示对应的拉丁字符的拼音字典Key words: Optical effect ; Steady liquid droplet ; Fourier transform1 引言润湿效应，就是表征固液界面处的位移表面变化情况。这一现象是实验和理论工作者的研究重点之一。由于传统工业和新兴技术的需要，在最近几十年来，相关
6、研究工作进展很快，例如在应用流体控制领域中，正确的理解界面处的相互作用是非常重要的。由于产生润湿效应的条件较特殊，一般的测试是基于浸入原理，这样就很容易破坏样品环境，使测量结果带有很大的不确定性。如何发展非接触式的测量成为研究方向之一。依据光学理论，将光学研究方法应用于研究液体的表面形变性质，例如借助于三维干涉仪能够比较方便的得到液体表面的形貌特征，但不足之处是设备昂贵，而且要求环境的稳定性要极好，并且对液面的形变限度要求严格。在液滴的动态扩散方面，目前研究较多，发现了液滴扩散的临界效应，这对工业印染、金属涂覆等领域具有很高的应用价值。但关于静态液滴的光学效应的研究报道却不是很多。根据几何光学
7、理论，当一光束照射到弯曲液面上，其反射光场的强度分布会随着曲面的曲率变化而变化。所以就有可能通过光学方法得到弯曲液面的一些特性参量。本文使用一束准直、扩束的激光束，自下而上垂直透射放置在水平平板上的液滴，得到了奇特的透射衍射图样，并且发现衍射图样的光强分布与入射激光束的半径大小有关。当改变激光束的半径大小时，得到不同的衍射图样。特别是，当激光束的半径减小到某一特定值时，衍射图样的零级条纹完全消失。平板上静态液滴对于入射光场具有相位调制作用，通过对衍射图样的光强分布与液滴表面形态之间关系的理论分析，根据物理光学原理，得出了衍射图样的强度分布与激光束半径和以入射面为参考面液面最大高度的比值是相关的
8、，并由此求出液滴半径，进而求出液滴的浸润角。本实验结果建立了一种通过强度分布测量获取液滴的浸润角的实验测量方法。2 实验装置实验装置由样品台，激光器组成。实验中，用一束准直，扩束的激光沿竖直方向自下而上入射到水平放置的样品台上的静态液滴。且圆形光斑以液滴为中心，均匀覆盖液滴表面， 本实验使用的是具有良好单色性和方向性的He2Ne激光器，波长为632.8 nm。实验中要求样品台高度洁净，所用的样品为二次蒸馏水。为了尽可能减小外界对实验产生影响，实验之前样品台在蒸馏水中进行清洗。实验数据采集都是在准备工作做好之后尽可能短时间内进行，以保证所用样品的纯净度所受外界因素影响尽可能小。 实验是在室温条件
9、下进行。3 实验结果及描述实验中，使用一个微型注射滴头将一小滴蒸馏水沉积在样品板上。当经过一段时间(大约几分钟)，气液相达到平衡之后，将会形成一个具有确定接触角且液体表面为轴对称分布的液面。其中接触角大小取决于界面能。对于高表面能的液体来说，接触角趋于零度；而对于不挥发液体，液滴的体积将会保持恒定。 图1（a） 图1（b）图1（c）弯曲液滴表面的光学衍射图样如图1，其中图1(a)，(b)，(c)分别为不同半径大小的激光束入射时所得到的衍射图样。当入射激光束半径较大时，衍射图样如图1（a）。需要说明的是，图1（a）的图样与一般情况下的衍射图样形式一致。在实验中，随着入射激光束半径的不断减小，衍射
10、图样的光强分布也随之发生改变，高衍射级次出现，中心条纹的强度降低，如图1(b)。继续减小激光半径，衍射图样的中心消失，如图1 (c)。上述实验说明，衍射图样的强度随着入射激光束的半径改变而改变。因此，基于这一实验发现，有可能通过分析衍射图样的光强变化来获取液面的相关特性。4 理论分析由于润湿效应，放置在水平样品板上的液滴在气液相达到平衡之后，会形成一个具有空间轴对称分布的液滴表面。液滴成形受到界面张力、温度、湿度等影响，所以控制条件很多，且较复杂，所以不能保证液滴对入射光波的傍轴近似条件成立，因此简单地认为液滴作为一平凸透镜，可能不是很准确。下面从滴液的动力学方程入手，求解出其外形特征方程。分
11、析衍射图样的光强分布与入射激光束的半径及液面的关系 。光强随着入射光束半径改变的现象可以通过傅里叶光学理论进行解释。尽管稳态液滴表面的形态描述比较复杂，但仍然可以认为液面高度h(r)和位矢r近似满足下面的 (1) 式中 h是液面高度，r是基板方向上的水平坐标，是样品液体的表面张力， A是。理论分析发现，当时，理论和实验吻合较好。式(1)为一微分方程，可以求解为 （2）式中。根据边界条件这里需要说明的是， 是以入射光束的入射截面为参考面，液滴所具有的最高液面高度，如图 3。 所以有 和成立。 式(2)通过变量代换，在液滴高度随矢径变化不明显的情况下，有成立，因此 （3） 当激光束垂直照射在液滴上
12、，其入射波前将会受到液滴表面的调制作用，因此在透射方向上将会观察到衍射图样，并且这种调制能力大小与入射光束所覆盖的液面大小有直接关系。根据傅里叶光学知识可知，入射光波前所受到液滴曲面的相位调制可认为是物函数的傅里叶变换，在垂直入射的情况下，物函数可写为 （4）那么相应观测面上的强度分布可以 （5）这里Jq表示第一类型、阶数为q的贝塞尔函数，为脉冲函数，为观测面上的位置坐标。本实验中所使用的样品为二次蒸馏水，环境温度为 21，入射激光波长为=632.8 nm。根据式(5)可知，函数决定各级衍射图样的位置，贝塞尔函数决定各级光斑光强的大小。对于不同的光强是不同的，这就提供了一种测量的方法。很明显，
13、零级、 一级和二级衍射条纹的峰值强度是的函数，如。rR平板图（3）图（2）对图(2) 分析可以知道，当 8.589 时，零级衍射条纹的强度最大，而更高级的衍射条纹的强度较低，如图 1 (a)，其中零级和一级衍射条纹表现比较明显。当随着入射激光束半径的减小，零级条纹的强度减弱，而更高级的衍射条纹强度变大。通过图(2)可以看出，不同衍射级的条纹强度是随着的变化而变化的，当是零阶贝塞尔函数的一个根时，此时对应的零级条纹完全消失。实验中，我们通过改变激光束半径，也观察到了这种现象，如图1(c)。根据条纹零级消失条件，= 8. 589，由实验调整使零级条纹临界消失,入射激光束的半径为=1.5mm，故可以
14、得知此时液面高度 = 0.175mm。又由实验测得液滴半径r=2.02mm。如图（3）所示，求出液滴半径R= =6.516mm。再根据我们测出的液滴半径r=2.02mm，则sin=0.310006 ，则二次蒸馏水与载玻片之间的浸润角=arcsin0.310006= 5 结论研究了放置在水平平板上的静态液滴的浸润效应。当一液滴放置在水平平板上，将会形成一个具有轴对称分布的球冠液滴。当用准直、 扩束的激光束自下而上的透射液滴后，在接收平面上将会观察到衍射图样。实验表明，衍射图样的光强分布与入射激光束的半径大小有关。当入射激光束的半径较大，衍射图样中包含零级和一级衍射条纹。随着入射激光束半径的减小，
15、衍射图样中的零级条纹强度减弱，而出现了更高级别的衍射条纹，当激光半径减小到一定程度后，零级衍射条纹消失。对此，根据傅里叶光学原理，结合液滴形貌的特征，理论上发现，衍射图样的光强分布和入射激光束的半径与液面高度之间的比值有关。基于这一理论分析，得到了在衍射零级消失时，边界光线所对应的液面高度，我们就可以通过几何关系求出液体的浸润角。实验测得二次蒸馏水与载玻片的浸润角为。本实验方法虽然做到了无接触测量，但仅限于测量透明或半透明液-固之间的浸润，对不透明的液体或不透明固体之间的浸润现象的研究有待进一步探讨。参考文献1姚启均.光学教程 高等教育出版社，2008.62李椿,章立源,钱尚武.高等教育出版社,2005.123CHEN J D , WADA N. Wetting dynamics of the edge of a spreading drop J . Phys Rev Lett ,1989 ,62 (26) :3050230524VISSER J . This review shows that for most systems the values of a usually range from to ergJ . A dv Collid Interface Sci ,1977 ,3 :3315祁建霞,苗润才. 水平平板上静态液滴的光学效应研究J.光子学报2009.8
