第二章經(jīng)典流動(dòng)顯示技術(shù)

1、2021-11-231第二章第二章 經(jīng)典流動(dòng)顯示技術(shù)經(jīng)典流動(dòng)顯示技術(shù)n流場顯示技術(shù)中最簡單的一種方法是流場顯示技術(shù)中最簡單的一種方法是陰影法：陰影法：n它不需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，只要有一它不需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，只要有一束平行光通過測試段，根據(jù)平行光線束平行光通過測試段，根據(jù)平行光線受擾動(dòng)后的線位移量，即可用來受擾動(dòng)后的線位移量，即可用來分析分析測試段氣流密度或溫度的分布。測試段氣流密度或溫度的分布。2021-11-232n流場顯示技術(shù)中最常用的一種方法是流場顯示技術(shù)中最常用的一種方法是紋影法：紋影法：n它是在光學(xué)儀器中常用的它是在光學(xué)儀器中常用的“ 刀口法刀口法”的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的；結(jié)構(gòu)比較簡單

2、，的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的；結(jié)構(gòu)比較簡單，具有較高的分辨力。具有較高的分辨力。2021-11-233n最近發(fā)展起來的激光散斑照相技術(shù)，最近發(fā)展起來的激光散斑照相技術(shù)，也是依靠光線在氣流中的偏轉(zhuǎn)來定量也是依靠光線在氣流中的偏轉(zhuǎn)來定量研究氣流中的折射率或密度變化。研究氣流中的折射率或密度變化。n這幾種方法都是靠光線在氣流中的偏這幾種方法都是靠光線在氣流中的偏轉(zhuǎn)，來確定折射率的分布。轉(zhuǎn)，來確定折射率的分布。2021-11-234n流場顯示技術(shù)中的第三種方法是干涉流場顯示技術(shù)中的第三種方法是干涉法，它是利用光線在氣流中的位相變法，它是利用光線在氣流中的位相變化來定量地研究氣流中密度或溫度的化來定量地研究氣流

3、中密度或溫度的空間分布?？臻g分布。n最近發(fā)展起來的激光全息和電子散斑最近發(fā)展起來的激光全息和電子散斑干涉計(jì)量技術(shù)，也是依靠光線在氣流干涉計(jì)量技術(shù)，也是依靠光線在氣流中的位相變化來定量地研究氣流中密中的位相變化來定量地研究氣流中密度或溫度的空間分布。度或溫度的空間分布。2021-11-2352021-11-235n由以下進(jìn)一步的理論分析可知，由以下進(jìn)一步的理論分析可知， 1.陰影法可以用來確定折射率二階導(dǎo)數(shù)陰影法可以用來確定折射率二階導(dǎo)數(shù)的分布；的分布； 2.紋影法和散斑照相法可用來確定折射紋影法和散斑照相法可用來確定折射率一率一 階導(dǎo)數(shù)的分布；階導(dǎo)數(shù)的分布； 3.干涉法通常用來定量研究折射率本

4、身干涉法通常用來定量研究折射率本身的分布。的分布。2021-11-2362021-11-236l對于光線受擾動(dòng)的理論分析對于光線受擾動(dòng)的理論分析,可以用可以用圖形分析法或解析法解決。圖形分析法或解析法解決。l本節(jié)僅討論圖形分析法，本節(jié)僅討論圖形分析法，用圖形分用圖形分析法求出：析法求出：光線受擾動(dòng)與折射率變光線受擾動(dòng)與折射率變化之間的關(guān)系。化之間的關(guān)系。2021-11-2372021-11-237l 光線沿光線沿z方向進(jìn)入流場、折射率僅在方向進(jìn)入流場、折射率僅在y方向變化。方向變化。 圖圖2-1 在非均勻折射率場中受擾動(dòng)的光線在非均勻折射率場中受擾動(dòng)的光線0zctctn2021-11-2382

5、021-11-238l 在時(shí)刻在時(shí)刻t, 波面在波面在z處，經(jīng)過時(shí)間處，經(jīng)過時(shí)間 t，光線移動(dòng)的距離為：光線移動(dòng)的距離為： c t c為當(dāng)?shù)氐墓馑贋楫?dāng)?shù)氐墓馑?當(dāng)?shù)氐墓馑贋椋寒?dāng)?shù)氐墓馑贋椋?c=c0/n則在時(shí)間則在時(shí)間 t內(nèi)光線行進(jìn)的距離為：內(nèi)光線行進(jìn)的距離為： (2-1)0czcttn 2021-11-2392021-11-239l 由于折射率在由于折射率在y方向有變化方向有變化, 光速是光速是y的的函數(shù)。函數(shù)。l 因而波陣面轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度因而波陣面轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。 y方向相隔方向相隔y的兩根光線，的兩根光線，其行進(jìn)其行進(jìn)距離的變化量設(shè)為距離的變化量設(shè)為 2z，可由下式計(jì)可由下式計(jì)算：算：202

6、1-11-23102021-11-2310 ytynctnctnnctnctnczzzyyyyyyyyy11 11000002(2-2)2021-11-23112021-11-2311n 光線的偏轉(zhuǎn)角為光線的偏轉(zhuǎn)角為 (2-3)n若若 y和和 z很小，可寫為微分形式：很小，可寫為微分形式： (2-4) 2011znnctnzyyy dzynndzynnd112021-11-23122021-11-2312 如果如果 始終保持在較小的數(shù)值，則：始終保持在較小的數(shù)值，則： 式式(1-30)對經(jīng)過擾動(dòng)區(qū)域的整個(gè)光程都對經(jīng)過擾動(dòng)區(qū)域的整個(gè)光程都是成立的。是成立的。 沿傳播方向?qū)y試段的整個(gè)長度進(jìn)行積沿

7、傳播方向?qū)y試段的整個(gè)長度進(jìn)行積分，得到測試段出口處的角度為分，得到測試段出口處的角度為:(2-5) dzyndzynnd)(ln12021-11-23132021-11-2313n上述公式是假定折射率僅在上述公式是假定折射率僅在y方向方向有變化而推導(dǎo)出來的，所以偏轉(zhuǎn)有變化而推導(dǎo)出來的，所以偏轉(zhuǎn)角角 是在是在y-z平面內(nèi)。平面內(nèi)。n如果在如果在x方向亦有折射率變化方向亦有折射率變化(即即折射率場是二維的折射率場是二維的)，則光線將在，則光線將在x軸方向和軸方向和y軸方向均有偏轉(zhuǎn)。軸方向均有偏轉(zhuǎn)。2021-11-23142021-11-2314n同樣可以得到同樣可以得到x-z平面內(nèi)的投影偏轉(zhuǎn)角。

8、平面內(nèi)的投影偏轉(zhuǎn)角。n由此可寫出二維場光線偏轉(zhuǎn)角公式：由此可寫出二維場光線偏轉(zhuǎn)角公式： 根據(jù)光線的偏轉(zhuǎn)角即可確定折射率場的分布6)-(2 1 xdzxnny1 (2-7)ndzny2021-11-23152.1 陰影法陰影法this technique is as old as nature itself. for example, some aquatic predators detect their transparent prey by way of their shadows cast upon the ocean floor. nevertheless it was robert h

9、ooke1 who first scientifically demonstrated the sunlight shadowgraph and jean-paul marat2 who first used it to study fire. a modern account of shadowgraphy is given by g.s. settles (5)2021-11-23162.1 陰影法陰影法 圖圖2-2 陰影儀原理圖陰影儀原理圖2021-11-2317n由于測試段中由于測試段中氣體折射率分布不氣體折射率分布不均勻均勻，使光線偏轉(zhuǎn)，在屏幕上呈，使光線偏轉(zhuǎn)，在屏幕上呈現(xiàn)現(xiàn)亮暗不均

10、勻的圖像亮暗不均勻的圖像。它反映了。它反映了被擾動(dòng)光線的線位移。被擾動(dòng)光線的線位移。n圖圖2-2表示了用表示了用陰影儀檢測被擾動(dòng)陰影儀檢測被擾動(dòng)光線線位移光線線位移的基本原理。的基本原理。2021-11-2318 圖圖2-3 陰影儀中光線測位移的基本原理陰影儀中光線測位移的基本原理平行光平行光進(jìn)進(jìn) 入入n沿沿y方向方向不均勻不均勻2021-11-2319n通常，出口處的光線不再平行通常，出口處的光線不再平行, 其偏轉(zhuǎn)角其偏轉(zhuǎn)角是是y的函數(shù)。的函數(shù)。n因?yàn)橐驗(yàn)闇y試段較短測試段較短，出口處的光線本身并沒，出口處的光線本身并沒有明顯的線位移，只是轉(zhuǎn)了一個(gè)角度有明顯的線位移，只是轉(zhuǎn)了一個(gè)角度 。n如果

11、進(jìn)口處的光強(qiáng)是均勻分布，則在出口如果進(jìn)口處的光強(qiáng)是均勻分布，則在出口處的光強(qiáng)仍然是處的光強(qiáng)仍然是接近均勻接近均勻的。的。2021-11-2320n由于出口處光線由于出口處光線 偏轉(zhuǎn)角度不同偏轉(zhuǎn)角度不同 ，n當(dāng)屏幕放在遠(yuǎn)離當(dāng)屏幕放在遠(yuǎn)離 測試段的地方時(shí)，測試段的地方時(shí)，n出口處出口處y區(qū)域內(nèi)區(qū)域內(nèi) 的光能，的光能，射到屏射到屏 幕上就變?yōu)樵谀簧暇妥優(yōu)樵?ysc區(qū)域內(nèi)的光能區(qū)域內(nèi)的光能。2021-11-2321n設(shè)原始光強(qiáng)為設(shè)原始光強(qiáng)為it，則屏幕光強(qiáng)為：則屏幕光強(qiáng)為： (2-8)n測試段至屏幕之測試段至屏幕之 間的距離為間的距離為zsc ，則：，則： ysc= y+zsc (2-9)iyyisc

12、t02021-11-2322n若光強(qiáng)的變化用對比度用若光強(qiáng)的變化用對比度用rc表示：表示： (2-10) 0tcttttscscsctscscscscsciiiriiyiiyyyziyydzzydy 2021-11-2323n由于由于 n則則 (2-11) (ln )nydzllscsccdzynzyzr22ln2021-11-2324n當(dāng)當(dāng)n 1時(shí)，可以簡化為時(shí)，可以簡化為(2-12)n若折射率在若折射率在x方向有變化，則可得相應(yīng)等式：方向有變化，則可得相應(yīng)等式：(2-13) rznydzcscl 22rznxdzcscl 222021-11-2325l如果在如果在x,y兩方向都有變動(dòng)時(shí)，我

13、們可兩方向都有變動(dòng)時(shí)，我們可以用坐標(biāo)變換法求得對比度與折射率以用坐標(biāo)變換法求得對比度與折射率二階導(dǎo)數(shù)之間的關(guān)系。二階導(dǎo)數(shù)之間的關(guān)系。n經(jīng)推導(dǎo)，經(jīng)推導(dǎo)，其其對比度對比度rc為：為： (2-14)dznyxziiirlscttc)(ln222202021-11-2326n當(dāng)當(dāng)n1n1時(shí)時(shí) (2-15)n由公式由公式(2-15)可見，陰影圖像只能顯示出折可見，陰影圖像只能顯示出折射率二階導(dǎo)數(shù)的不均勻性。射率二階導(dǎo)數(shù)的不均勻性。rznxnydzcscl 22222021-11-2327n如果測試段中折射率二階導(dǎo)數(shù)均勻分布，如果測試段中折射率二階導(dǎo)數(shù)均勻分布，則顯示屏幕將被均勻地照明，只是強(qiáng)度增則顯示屏

14、幕將被均勻地照明，只是強(qiáng)度增加或降低。加或降低。n由于對比度的精確測量很困難，典型的陰由于對比度的精確測量很困難，典型的陰影系統(tǒng)很少用作定量研究。影系統(tǒng)很少用作定量研究。const.ny0ny22const.ny22const.ny2021-11-2328氦氣噴流進(jìn)入空氣中的陰影圖氦氣噴流進(jìn)入空氣中的陰影圖2021-11-2329氦氣氦氣(上層上層)和氮?dú)夂偷獨(dú)?下層下層)平行流混合的陰影圖平行流混合的陰影圖2021-11-23302021-11-23312.2 紋影法紋影法 (schlieren photography) schlieren (from german; singular “s

15、chliere”) by 德國物理學(xué)家august toepler 1864 圖圖2-4 雙透鏡紋影儀的原理圖雙透鏡紋影儀的原理圖2021-11-2332光路分析光路分析問題問題1.1.紋影儀系統(tǒng)有幾個(gè)成像系統(tǒng)？紋影儀系統(tǒng)有幾個(gè)成像系統(tǒng)？ 他們各將什么物體成像到什么剖面？他們各將什么物體成像到什么剖面？問題問題2：光線的偏轉(zhuǎn)為什么會引起觀察光線的偏轉(zhuǎn)為什么會引起觀察平面內(nèi)光強(qiáng)的變化？平面內(nèi)光強(qiáng)的變化？2021-11-2333 定量分析：定量分析：n如圖如圖2-4，若經(jīng)過測試段，若經(jīng)過測試段(x,y)處的入處的入射光線，射光線，因受干擾偏轉(zhuǎn)因受干擾偏轉(zhuǎn) 角角；n在經(jīng)過透鏡在經(jīng)過透鏡l2時(shí)雖然仍成

16、像于記錄時(shí)雖然仍成像于記錄平面內(nèi)的平面內(nèi)的a點(diǎn)；點(diǎn)；n但在刀口延伸方向上與未擾動(dòng)光線但在刀口延伸方向上與未擾動(dòng)光線相比，相比，產(chǎn)生了產(chǎn)生了 a的位移的位移。2021-11-2334圖圖2-5 定量分析示意圖定量分析示意圖y n如圖如圖2-5，經(jīng)過測試段，經(jīng)過測試段(x,y)處的出射光線，處的出射光線，因受干擾偏轉(zhuǎn)因受干擾偏轉(zhuǎn) 角角；n在經(jīng)過透鏡在經(jīng)過透鏡l2時(shí)雖然仍成像于記錄平面內(nèi)的時(shí)雖然仍成像于記錄平面內(nèi)的a點(diǎn)；點(diǎn)；n但在刀口延伸方向上與未擾動(dòng)光線相比，但在刀口延伸方向上與未擾動(dòng)光線相比，產(chǎn)生了產(chǎn)生了 a的位移的位移。2021-11-2335n光線光線偏轉(zhuǎn)角很小偏轉(zhuǎn)角很小，而，而透鏡焦距又遠(yuǎn)

17、大于其半徑透鏡焦距又遠(yuǎn)大于其半徑，則可得以下各式則可得以下各式:qyfy ,2 yfq1122fa y2021-11-2336n由物、像距之關(guān)系由物、像距之關(guān)系:n前式變成：前式變成： n因?yàn)椋阂驗(yàn)椋?所以所以： 2111fqp,py2211yayfqpf 2fa 2021-11-2337n由此可得由此可得: (2-13) 正負(fù)號表示刀口的位置正負(fù)號表示刀口的位置.刀口向上切割刀口向上切割 ，0時(shí)，時(shí)，a0;刀口向刀口向 下切割下切割 ，0時(shí)，時(shí)，a干涉條紋反映了相干光的光程差干涉條紋反映了相干光的光程差l，當(dāng)光程差當(dāng)光程差為整數(shù)為整數(shù)波長時(shí)會產(chǎn)生亮條紋。波長時(shí)會產(chǎn)生亮條紋。2光程差光程差l等

18、于物、參光光程之差：等于物、參光光程之差： n是干涉條紋的位移量或干涉級次是干涉條紋的位移量或干涉級次(45)0lndzndznndzn 物參物參2021-11-2371 對于二維問題，用下式求出折射率差：對于二維問題，用下式求出折射率差： n = n /l 式中，式中，l l是測試段的長度。是測試段的長度。 (46)2021-11-2372(4)載波載波條紋的形成和位置條紋的形成和位置 若反射鏡、分光鏡全若反射鏡、分光鏡全45o方向放置，且元件方向放置，且元件質(zhì)量理想，則為光場均勻質(zhì)量理想，則為光場均勻。產(chǎn)生的是無限。產(chǎn)生的是無限條紋干涉圖條紋干涉圖l若若m2傾斜小角度傾斜小角度 ，則像平面

19、，則像平面e內(nèi)將形成平內(nèi)將形成平行、等間距的直條紋。產(chǎn)生有限條紋干涉行、等間距的直條紋。產(chǎn)生有限條紋干涉圖圖 (47)2021-11-2373l參考光偏轉(zhuǎn)：參考光偏轉(zhuǎn)：2 角度角度l載波條紋的間距載波條紋的間距s為：為： (48)stg2222021-11-23742. 雅曼干涉儀雅曼干涉儀 (1)光路：光路：l l 結(jié)構(gòu)簡單、干涉元件是等厚等折射率結(jié)構(gòu)簡單、干涉元件是等厚等折射率的平板玻璃，平板表面的平板玻璃，平板表面m1、m2鍍銀；鍍銀；l l 入射光束約以入射光束約以45o的入射角投射到第的入射角投射到第一塊平板上。一塊平板上。l l 兩束平行光的分開程度取決于平板厚兩束平行光的分開程度

20、取決于平板厚度度d； (49)2021-11-2375 (50)圖圖2-8 雅曼干涉儀雅曼干涉儀452021-11-2376 g1和和g2是貯氣室；是貯氣室；c1和和c2是補(bǔ)償板；是補(bǔ)償板； 若平板之間略有傾角，可產(chǎn)生載波條紋。若平板之間略有傾角，可產(chǎn)生載波條紋。 若若g1裝有已知空氣裝有已知空氣(n1) ；g2裝有欲測氣裝有欲測氣 體體(n2)；氣體厚度均為氣體厚度均為l： 在加入被測氣體后，兩干涉光的光程差的在加入被測氣體后，兩干涉光的光程差的改變量為：改變量為： l=l(l=l(n2-n1) ) = lnn2021-11-2377 若把干涉條紋級數(shù)的改變量記為若把干涉條紋級數(shù)的改變量記為

21、m m，則：則： l= l= ln nm m 由此：由此： n n =m m /l 式中，式中， m m可以根據(jù)干涉條紋的移動(dòng)量來可以根據(jù)干涉條紋的移動(dòng)量來確定。確定。 最后求出：最后求出： n2= m /l n1 (3)用途：用途： 可測量氣體或液體折射率，進(jìn)而測量溫可測量氣體或液體折射率，進(jìn)而測量溫 度、度、 濃度分布。濃度分布。2021-11-23783. 3. 雙鏡干涉儀、雙鏡干涉儀、 邁克遜干涉儀等。邁克遜干涉儀等。(自學(xué)！自學(xué)！)n光路大同小異：光路大同小異： 通常有物光和參考光，兩束光在觀察通常有物光和參考光，兩束光在觀察平面干涉形成干涉條紋！平面干涉形成干涉條紋！(53)202

22、1-11-2379n原理相同：原理相同： 干涉條紋是物光與參考光光程差的干涉條紋是物光與參考光光程差的等值線等值線; 由干涉條紋求出物光的折射率分布由干涉條紋求出物光的折射率分布; 進(jìn)而求出其他信息！進(jìn)而求出其他信息！(54)2021-11-2380 2.4 2.4 差分干涉儀差分干涉儀 差分干涉儀可直接測量密度梯度場或差分干涉儀可直接測量密度梯度場或溫度梯度場的分布，也就是通常所說溫度梯度場的分布，也就是通常所說的的剪切干涉儀、紋影干涉儀。剪切干涉儀、紋影干涉儀。(55)2021-11-2381 1. 沃拉斯頓棱鏡干涉儀沃拉斯頓棱鏡干涉儀 (1)光路：光路： 圖圖2-18a：凹面鏡式凹面鏡式

23、 圖圖2-18b：凸透鏡式凸透鏡式 (56)2021-11-2382 (57)圖圖2-18a: wollaston 棱鏡差分干涉儀棱鏡差分干涉儀2021-11-2383 激光激光 試試 件件wollaston棱鏡 偏振片偏振片圖像系統(tǒng)圖像系統(tǒng)ccd毛玻璃毛玻璃反射鏡反射鏡擴(kuò)束鏡擴(kuò)束鏡反射鏡反射鏡準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直鏡會聚鏡會聚鏡成像鏡頭成像鏡頭圖圖2-18b: wollaston棱鏡差分干涉儀棱鏡差分干涉儀2021-11-2384 (2) w-棱鏡棱鏡 將入射光分成將入射光分成 兩束偏振方向兩束偏振方向 正交的偏振光正交的偏振光 分裂角分裂角 可表示成：可表示成： = 2 (ne-n0) 式中，式中，n

24、e和和n0是雙折射材料的折射率。是雙折射材料的折射率。 (59) 圖圖 2-192021-11-2385 因?yàn)橐驗(yàn)閣-w-棱鏡將入射光分成兩束偏振光棱鏡將入射光分成兩束偏振光, ,所以所以在像平面將形成兩個(gè)互相錯(cuò)開的像。同一在像平面將形成兩個(gè)互相錯(cuò)開的像。同一個(gè)像點(diǎn)，兩束光個(gè)像點(diǎn)，兩束光通過測試段的不同區(qū)域通過測試段的不同區(qū)域相相遇遇，光程不同，光程不同，實(shí)現(xiàn)干涉效應(yīng)，如同，實(shí)現(xiàn)干涉效應(yīng)，如同紋影紋影儀儀。 但由于兩束偏振光的偏振方向相互正交但由于兩束偏振光的偏振方向相互正交, ,所所以無法形成干涉條紋。以無法形成干涉條紋。 通過在通過在45450 0方向施加一個(gè)偏振片，各取一個(gè)方向施加一個(gè)偏

25、振片，各取一個(gè)分量，可以在像片面內(nèi)形成干涉條紋。分量，可以在像片面內(nèi)形成干涉條紋。(60)2021-11-2386 w-棱鏡的中心通常位于棱鏡的中心通常位于m2的焦點(diǎn)上；的焦點(diǎn)上； 若沿光軸移動(dòng)若沿光軸移動(dòng)w-棱鏡，則會引起載波棱鏡，則會引起載波條紋，條紋間距為：條紋，條紋間距為： (2-30) 式中，式中，u是焦點(diǎn)偏離是焦點(diǎn)偏離w-棱鏡中心之距棱鏡中心之距離。離。 (61)sfu22021-11-2387(3) 測試原理測試原理 干涉儀一定要有兩束光相互干涉！干涉儀一定要有兩束光相互干涉！ wollaston棱鏡干涉儀是通過將物光棱鏡干涉儀是通過將物光相互錯(cuò)開，從而在像平面相遇的兩相互錯(cuò)開，

26、從而在像平面相遇的兩束光是通過測試區(qū)不同區(qū)域的兩束束光是通過測試區(qū)不同區(qū)域的兩束光，光，并在像平面內(nèi)相互干涉形成干并在像平面內(nèi)相互干涉形成干涉條紋！涉條紋！ (62)2021-11-2388 w棱鏡在干涉儀中的作用原理圖棱鏡在干涉儀中的作用原理圖1211 2 2yfyf 2021-11-2389n 測試段內(nèi)相差測試段內(nèi)相差y的兩束光線的兩束光線, 在像平在像平 面內(nèi)相互干涉，形成干涉條紋，干涉面內(nèi)相互干涉，形成干涉條紋，干涉 條紋反映了光程差。條紋反映了光程差。12(64)cdzzyxn),(cdzyynzyxn),(12zyy2021-11-2390n 干涉條紋是光程差的等值線，可用干涉條紋

27、是光程差的等值線，可用 下式表示：下式表示： 3n 式中，式中，n是條紋偏移量。是條紋偏移量。(65)ndzyyn2021-11-2391 4 條紋偏移量：條紋偏移量：5若令剪切量若令剪切量 , 無限寬條紋：無限寬條紋：d f有限寬條紋，放大率為有限寬條紋，放大率為1時(shí)：時(shí)：d=f/u則得則得(2-31)式：式：(66)nssdyss2021-11-2392 (2-31) 式中，式中，n是條紋階數(shù)的改變量是條紋階數(shù)的改變量, d是物是物空間剪切量。空間剪切量。 (67)(,)dn xyznd zy2021-11-2393 對于氣體，可求出密度對于氣體，可求出密度 的梯度：的梯度： (2-32)

28、 (4) 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 圖圖2-20是是“ 平板一圓柱平板一圓柱”自然對自然對流現(xiàn)象研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。流現(xiàn)象研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 (68)( , , )dkx y zndzy2021-11-2394 (69) (a) (有限條紋有限條紋) (b) (無限條紋無限條紋) 圖圖2-20 自然對流差分干涉條紋圖自然對流差分干涉條紋圖2021-11-23952. 平晶錯(cuò)位干涉儀平晶錯(cuò)位干涉儀n平晶相當(dāng)于平晶相當(dāng)于 剪切元件。剪切元件。 (70)圖圖2-21 平晶錯(cuò)位干涉儀原理圖平晶錯(cuò)位干涉儀原理圖2021-11-2396n由后表面反射、且橫向錯(cuò)位由后表面反射、且橫向錯(cuò)位 的光束的光束a2, 與前表面直接

29、反射光與前表面直接反射光b1發(fā)生干涉，發(fā)生干涉，其光程差為其光程差為(同一級的干涉條紋）：同一級的干涉條紋）： n光束錯(cuò)位距離為：光束錯(cuò)位距離為： (2-33) (71)ldndtgi222cossin2cosdtgi2021-11-2397n 隨照明光的入射角度隨照明光的入射角度i的變化而變化，的變化而變化，可以通過改變?nèi)肷浣强梢酝ㄟ^改變?nèi)肷浣莍來改變剪切量。來改變剪切量。 如平晶是一塊夾角為如平晶是一塊夾角為的楔塊的楔塊,則會產(chǎn)生則會產(chǎn)生平行、等間距的干涉條紋，條紋間距：平行、等間距的干涉條紋，條紋間距：(72)snn22sin2021-11-2398(1)光路系統(tǒng)光路系統(tǒng) 光路如圖光路如

30、圖2-22，利用共焦凹面鏡組成，利用共焦凹面鏡組成平行光系統(tǒng)平行光系統(tǒng). 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、抗震性能好、價(jià)格該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、抗震性能好、價(jià)格低廉、調(diào)整方便。低廉、調(diào)整方便。 使用中僅需轉(zhuǎn)動(dòng)平晶，可以選擇所需使用中僅需轉(zhuǎn)動(dòng)平晶，可以選擇所需要的條紋方向、錯(cuò)位的大小和方向。要的條紋方向、錯(cuò)位的大小和方向。 (73)2021-11-2399(74)圖圖2-22 平晶錯(cuò)位干涉光路系統(tǒng)圖平晶錯(cuò)位干涉光路系統(tǒng)圖2021-11-23100 該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是:1載波條紋間距不可調(diào)；載波條紋間距不可調(diào)；2兩表面難以加工成絕對平行的兩表面難以加工成絕對平行的 平面；平面；3很難得到無限條紋。很難得到無限

31、條紋。 (75)2021-11-23101(2)二維二維定量計(jì)算公式定量計(jì)算公式(2-34) 式中，式中，mx、my是條紋偏移量；是條紋偏移量； x， y是是剪切量；剪切量；l是測試段長度。是測試段長度。 (76) m yynlxnlmyxx2021-11-23102(2-35) 式中，式中，mx、my是條紋偏移量；是條紋偏移量； x， y是剪切量；是剪切量；k是格拉德斯通一戴爾常是格拉德斯通一戴爾常數(shù)，數(shù)， l是測試段長度。是測試段長度。 (77) myyklxklmyxx2021-11-231032.5 雙頻顯微干涉儀雙頻顯微干涉儀 1. 在透明有機(jī)合金中液體混合對單向在透明有機(jī)合金中液體

32、混合對單向 凝固速率的影響。凝固速率的影響。n重力影響下的對流，從熔融態(tài)或溶液中生重力影響下的對流，從熔融態(tài)或溶液中生長的晶體周圍的流體的流動(dòng)起源于液體的長的晶體周圍的流體的流動(dòng)起源于液體的溫度梯度和固溫度梯度和固-液界面附近濃度的梯度液界面附近濃度的梯度(因因溶質(zhì)耗盡變輕溶質(zhì)耗盡變輕)。(78)2021-11-23104n但一般情況下對流是不利于高質(zhì)量晶但一般情況下對流是不利于高質(zhì)量晶體的生長，而體的生長，而對流的存在對流的存在會破壞穩(wěn)定會破壞穩(wěn)定而均勻的溫度梯度和濃度梯度。而均勻的溫度梯度和濃度梯度。(79)2021-11-23105n此外，對流還導(dǎo)致雜質(zhì)的偏析。此外，對流還導(dǎo)致雜質(zhì)的偏析

33、。n本節(jié)試圖在凝固和晶體生長過程本節(jié)試圖在凝固和晶體生長過程中直接測量溫度和濃度分布，以中直接測量溫度和濃度分布，以研究在透明有機(jī)合金中液體混合研究在透明有機(jī)合金中液體混合對單向速率的影響。對單向速率的影響。 (80)2021-11-23106 (1)光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)1)ls：光源；光源；2)l1：透鏡；透鏡；3)bs1：偏振分光鏡，透過光為線偏振光；偏振分光鏡，透過光為線偏振光；4)bs2：偏振分光鏡，將入射光分成兩束偏振分光鏡，將入射光分成兩束 正交的線偏振光正交的線偏振光s(反射反射)和和p(透射透射)；5)s光經(jīng)光經(jīng) /4波片波片qw轉(zhuǎn)成圓偏振光，再經(jīng)轉(zhuǎn)成圓偏振光，再經(jīng)l3 會聚成光點(diǎn)透過液體；會聚成光點(diǎn)透過液體；(81) 2021-11-23107(82)圖圖2-232021-11-231086)p經(jīng)過環(huán)路多次反射，由經(jīng)過環(huán)路多次反射，由qw轉(zhuǎn)成圓偏振片。轉(zhuǎn)成圓偏振片。 但由于透鏡但由于透鏡l2的作用，該光束以平行照明的作用，該光束以平行照明 光通過液體光通過液體； 7) p和和s光，經(jīng)過光，經(jīng)過l4、l5和反光鏡系統(tǒng)，又以原和反光鏡系統(tǒng)，又以原來的方式返回，并二次通過液體，再經(jīng)過來的方式返回，并二次通過液體，再經(jīng)過qw變回線偏振光，但兩者的偏振方向均旋