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低频液体表面波激光衍射条纹的特征及表面波物理参量的测量

罗道斌  
【摘要】: 液体表面无论组成、结构、分子所处的能量状态,还是受力情况等与体相相比,各方面都有差别,这些差别使得液体表面具有某些特殊的性质。而液体表面波蕴含着液体表面的一些性质,通过研究液体表面波,就可以获得液体的某些参数。 液体表面波是沿着液体表面传播的一种弹性波。要获得液体及液体表面波的一些特性,就需要建立有效的测量方法。光学方法来探测物质的性质,它具有无损、非接触、实时快捷等特点,因此备受人们关注。自上世纪60年代激光问世以后,激光就被用于研究表面波性质。对于高频的表面波,绝大部分研究是建立在声波光衍射的基础上。根据声光衍射原理,如果表面波的频率越大,则引起的衍射光角分离越大,所以这类实验大多针对超声表面波进行。1979年,G.Weisbuch等人首次提出了利用液体表面波来实现光衍射,并以此建立了表面张力的光学测量方法。对于低频液体表面波,我们曾进行过专门的研究。在这些研究中,激光衍射法把表面波频率下延到几十赫兹。 本文运用激光衍射法,研究低频液体表面波的特性。通过对低频液体表面波光衍射的分析,得到了衍射光场的分布和表面波之间的解析关系。根据这一关系,可以测量液体表面张力,表面波的波长、振幅等一些物理参量。本文的研究主要内容和结论如下: 1.对表面波的分类进行了归纳,对表面波的声光效应进行了分析归类。光通过声场作用下的晶体的衍射效应可以分为两类:拉曼—奈斯衍射和布拉格衍射。声波场作用下晶体的拉曼—奈斯衍射现象,不但可以看到零级和一级条纹,而且可以高于一级的衍射条纹。布拉格衍射的特点是仅有零级和一级衍射光,其他各级的衍射光已不明显存在。 2.由流体力学的动量守恒方程,推导出了牛顿流体的运动方程即纳维—斯托克斯方程(Navier-Stokes equation),简称N-S方程。由N-S方程,再根据低频液体表面波的回复力主要为面积力的特点,简化N-S方程,求解该方程,得到低频液体表面波的波动方程。由拉普拉斯公式出发,再利用势函数的性质,推导出液体的色散关系。 3.低频液体表面波的激光衍射。对于频率高于几十赫兹的液体表面波,我们观察到了清晰的、对比度非常高的激光衍射条纹。在实验中观察到了衍射条纹的缺级,包括零级条纹的缺级,并且发现各级条纹的强度分布和表面波的振幅相关。运用傅里叶光学的理论对此衍射现象进行了分析,讨论了低频液体表面波激光衍射条纹的特征,并与实验现象进行对比,理论和实验吻合。 4.液体表面波的检测和测量。测量表面波的方法需根据测量要求和表面波频段而定。我们利用表面波的激光衍射法对表面波进行了检测,测量了液体表面波的波长、振幅,液体样品的表面张力系数等。测试了油酸钠水溶液、乙醇水溶液、NaCl水溶液的表面张力与溶液浓度的关系,为表面活性剂的研究提供了一种光学实验方法。此外,还对液体表面波的衰减特性进行了测定,发现表面波的衰减系数具有色散效应,衰减系数随着表面波的频率增大而线性增大,并通过数学检验,这一规律成立。


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