利用激光衍射研究透明液體的浸潤特畢業(yè)論文

1、畢業(yè)論文利用激光衍射研究透明液體的浸潤特性利用激光衍射研究透明液體的浸潤特性摘要:對液滴表面的光學衍射效應進行實驗研究。當用一束準直、擴束的激光束自下而上，垂直照射水平放置的平板上的靜態(tài)液滴表面時，得到了清晰、穩(wěn)定的衍射圖樣。衍射圖樣的強度分布隨著入射光束半徑的變化而變化。當激光束半徑改變到某一特定大小時，衍射圖樣中心條紋消失。通過對衍射條紋的分布與液體表面形態(tài)的理論分析，并根據(jù)物理光學原理，得到了條紋強度分布與激光束半徑和入射面液面最大高度之問比值是相關的?；谶@一發(fā)現(xiàn)，提出了一種液滴浸潤角的非接觸、有效的實驗方法。關鍵詞:光學效應；靜態(tài)液滴；傅里葉變換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 )Abstract: On the droplet surface, optical diffraction effect of the experimental study. When a beam collimation, beam expander of

3、 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, the dif

4、fraction 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 surface p

5、lane of incidence is related to Q ratio. Based on this discovery, a non-contact droplet wetting angle, the effective experimental methods朗讀顯示對應的拉丁字符的拼音字典Key words: Optical effect ; Steady liquid droplet ; Fourier transform1 引言潤濕效應，就是表征固液界面處的位移表面變化情況。這一現(xiàn)象是實驗和理論工作者的研究重點之一。由于傳統(tǒng)工業(yè)和新興技術的需要，在最近幾十年來，相關研究工作

6、進展很快，例如在應用流體控制領域中，正確的理解界面處的相互作用是非常重要的。由于產(chǎn)生潤濕效應的條件較特殊，一般的測試是基于浸入原理，這樣就很容易破壞樣品環(huán)境，使測量結果帶有很大的不確定性。如何發(fā)展非接觸式的測量成為研究方向之一。依據(jù)光學理論，將光學研究方法應用于研究液體的表面形變性質，例如借助于三維干涉儀能夠比較方便的得到液體表面的形貌特征，但不足之處是設備昂貴，而且要求環(huán)境的穩(wěn)定性要極好，并且對液面的形變限度要求嚴格。在液滴的動態(tài)擴散方面，目前研究較多，發(fā)現(xiàn)了液滴擴散的臨界效應，這對工業(yè)印染、金屬涂覆等領域具有很高的應用價值。但關于靜態(tài)液滴的光學效應的研究報道卻不是很多。根據(jù)幾何光學理論，當

7、一光束照射到彎曲液面上，其反射光場的強度分布會隨著曲面的曲率變化而變化。所以就有可能通過光學方法得到彎曲液面的一些特性參量。本文使用一束準直、擴束的激光束，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圖樣，并且發(fā)現(xiàn)衍射圖樣的光強分布與入射激光束的半徑大小有關。當改變激光束的半徑大小時，得到不同的衍射圖樣。特別是，當激光束的半徑減小到某一特定值時，衍射圖樣的零級條紋完全消失。平板上靜態(tài)液滴對于入射光場具有相位調制作用，通過對衍射圖樣的光強分布與液滴表面形態(tài)之間關系的理論分析，根據(jù)物理光學原理，得出了衍射圖樣的強度分布與激光束半徑和以入射面為參考面液面最大高度的比值是相關的，并由此

8、求出液滴半徑，進而求出液滴的浸潤角。本實驗結果建立了一種通過強度分布測量獲取液滴的浸潤角的實驗測量方法。2 實驗裝置實驗裝置由樣品臺，激光器組成。實驗中，用一束準直，擴束的激光沿豎直方向自下而上入射到水平放置的樣品臺上的靜態(tài)液滴。且圓形光斑以液滴為中心，均勻覆蓋液滴表面， 本實驗使用的是具有良好單色性和方向性的He2Ne激光器，波長為632.8 nm。實驗中要求樣品臺高度潔凈，所用的樣品為二次蒸餾水。為了盡可能減小外界對實驗產(chǎn)生影響，實驗之前樣品臺在蒸餾水中進行清洗。實驗數(shù)據(jù)采集都是在準備工作做好之后盡可能短時間內進行，以保證所用樣品的純凈度所受外界因素影響盡可能小。 實驗是在室溫條件下進行。

9、3 實驗結果及描述實驗中，使用一個微型注射滴頭將一小滴蒸餾水沉積在樣品板上。當經(jīng)過一段時間(大約幾分鐘)，氣液相達到平衡之后，將會形成一個具有確定接觸角且液體表面為軸對稱分布的液面。其中接觸角大小取決于界面能。對于高表面能的液體來說，接觸角趨于零度；而對于不揮發(fā)液體，液滴的體積將會保持恒定。 圖1（a） 圖1（b）圖1（c）彎曲液滴表面的光學衍射圖樣如圖1，其中圖1(a)，(b)，(c)分別為不同半徑大小的激光束入射時所得到的衍射圖樣。當入射激光束半徑較大時，衍射圖樣如圖1（a）。需要說明的是，圖1（a）的圖樣與一般情況下的衍射圖樣形式一致。在實驗中，隨著入射激光束半徑的不斷減小，衍射圖樣的光

10、強分布也隨之發(fā)生改變，高衍射級次出現(xiàn)，中心條紋的強度降低，如圖1(b)。繼續(xù)減小激光半徑，衍射圖樣的中心消失，如圖1 (c)。上述實驗說明，衍射圖樣的強度隨著入射激光束的半徑改變而改變。因此，基于這一實驗發(fā)現(xiàn)，有可能通過分析衍射圖樣的光強變化來獲取液面的相關特性。4 理論分析由于潤濕效應，放置在水平樣品板上的液滴在氣液相達到平衡之后，會形成一個具有空間軸對稱分布的液滴表面。液滴成形受到界面張力、溫度、濕度等影響，所以控制條件很多，且較復雜，所以不能保證液滴對入射光波的傍軸近似條件成立，因此簡單地認為液滴作為一平凸透鏡，可能不是很準確。下面從滴液的動力學方程入手，求解出其外形特征方程。分析衍射圖

11、樣的光強分布與入射激光束的半徑及液面的關系 。光強隨著入射光束半徑改變的現(xiàn)象可以通過傅里葉光學理論進行解釋。盡管穩(wěn)態(tài)液滴表面的形態(tài)描述比較復雜，但仍然可以認為液面高度h(r)和位矢r近似滿足下面的 (1) 式中 h是液面高度，r是基板方向上的水平坐標，是樣品液體的表面張力， A是。理論分析發(fā)現(xiàn)，當時，理論和實驗吻合較好。式(1)為一微分方程，可以求解為 （2）式中。根據(jù)邊界條件這里需要說明的是， 是以入射光束的入射截面為參考面，液滴所具有的最高液面高度，如圖 3。 所以有 和成立。 式(2)通過變量代換，在液滴高度隨矢徑變化不明顯的情況下，有成立，因此 （3） 當激光束垂直照射在液滴上，其入射

12、波前將會受到液滴表面的調制作用，因此在透射方向上將會觀察到衍射圖樣，并且這種調制能力大小與入射光束所覆蓋的液面大小有直接關系。根據(jù)傅里葉光學知識可知，入射光波前所受到液滴曲面的相位調制可認為是物函數(shù)的傅里葉變換，在垂直入射的情況下，物函數(shù)可寫為 （4）那么相應觀測面上的強度分布可以 （5）這里Jq表示第一類型、階數(shù)為q的貝塞爾函數(shù)，為脈沖函數(shù)，為觀測面上的位置坐標。本實驗中所使用的樣品為二次蒸餾水，環(huán)境溫度為 21，入射激光波長為=632.8 nm。根據(jù)式(5)可知，函數(shù)決定各級衍射圖樣的位置，貝塞爾函數(shù)決定各級光斑光強的大小。對于不同的光強是不同的，這就提供了一種測量的方法。很明顯，零級、

13、一級和二級衍射條紋的峰值強度是的函數(shù)，如。rR平板圖（3）圖（2）對圖(2) 分析可以知道，當 8.589 時，零級衍射條紋的強度最大，而更高級的衍射條紋的強度較低，如圖 1 (a)，其中零級和一級衍射條紋表現(xiàn)比較明顯。當隨著入射激光束半徑的減小，零級條紋的強度減弱，而更高級的衍射條紋強度變大。通過圖(2)可以看出，不同衍射級的條紋強度是隨著的變化而變化的，當是零階貝塞爾函數(shù)的一個根時，此時對應的零級條紋完全消失。實驗中，我們通過改變激光束半徑，也觀察到了這種現(xiàn)象，如圖1(c)。根據(jù)條紋零級消失條件，= 8. 589，由實驗調整使零級條紋臨界消失,入射激光束的半徑為=1.5mm，故可以得知此時

14、液面高度 = 0.175mm。又由實驗測得液滴半徑r=2.02mm。如圖（3）所示，求出液滴半徑R= =6.516mm。再根據(jù)我們測出的液滴半徑r=2.02mm，則sin=0. ，則二次蒸餾水與載玻片之間的浸潤角=arcsin0.= 5 結論研究了放置在水平平板上的靜態(tài)液滴的浸潤效應。當一液滴放置在水平平板上，將會形成一個具有軸對稱分布的球冠液滴。當用準直、 擴束的激光束自下而上的透射液滴后，在接收平面上將會觀察到衍射圖樣。實驗表明，衍射圖樣的光強分布與入射激光束的半徑大小有關。當入射激光束的半徑較大，衍射圖樣中包含零級和一級衍射條紋。隨著入射激光束半徑的減小，衍射圖樣中的零級條紋強度減弱，而

15、出現(xiàn)了更高級別的衍射條紋，當激光半徑減小到一定程度后，零級衍射條紋消失。對此，根據(jù)傅里葉光學原理，結合液滴形貌的特征，理論上發(fā)現(xiàn)，衍射圖樣的光強分布和入射激光束的半徑與液面高度之間的比值有關?；谶@一理論分析，得到了在衍射零級消失時，邊界光線所對應的液面高度，我們就可以通過幾何關系求出液體的浸潤角。實驗測得二次蒸餾水與載玻片的浸潤角為。本實驗方法雖然做到了無接觸測量，但僅限于測量透明或半透明液-固之間的浸潤，對不透明的液體或不透明固體之間的浸潤現(xiàn)象的研究有待進一步探討。參考文獻1姚啟均.光學教程 高等教育出版社，2008.62李椿,章立源,錢尚武.高等教育出版社,2005.123CHEN J D , WADA N. Wetting dynamics of