光導瀑布的原理與制作

李仁芮

(承德石油高等專科學校社科與數理部，河北承德 067000)

光導瀑布的原理與制作

李仁芮

(承德石油高等專科學校社科與數理部，河北承德 067000)

根據光的全反射理論，研究了激光在平拋水流中的傳播規律，探討了形成光導瀑布的基本思路及其制作方法。

全反射;激光;光導瀑布

光導瀑布是通過水流傳導光束，將激光與水流融合在一起，直觀效果好像紅色的激光順水而下，制作成彩色水流的景觀作品，可以在家庭、公園等場所作為裝飾物，美化環境，作品運行時賞心悅目，令人心曠神怡。

1 光導瀑布原理

光導瀑布基本思路是利用光線在光導纖維中傳輸的原理，即光由光密介質傳輸到光疏介質，角度合適時會發生全反射，在此情形下，光在水流里沿弧線傳播，看上去就像是水流具有了光的顏色，形成了光導瀑布。

全反射是光由光密媒質射到光疏介質的界面時，全部被反射回原介質內的現象。

光由一種介質傳播到另一介質時，產生折射(見圖1)，有

當入射角θ增加到某一值時，折射線沿表面進行，即折射角為γ=90°，此時的入射角稱為臨界角c (見圖2)。當入射角大于臨界角時就形成全反射［1］。產生全反射的條件是:1)光必須由光密介質射向光疏介質。2)入射角θ必須大于臨界角c。

光導纖維是全反射現象的重要應用。蜃景的出現是光在空氣中全反射形成的。

使用激光打向水柱，要使光線沿水流經多次全反射而傳播，激光和水流要符合一定的角度要求(見圖3)。

依此對激光與水流方向進行分析:

1)如果水流與激光同方向，激光的方向性很好，入射角θ幾乎為90°，遠比臨界角48.6°大，光能沿水流傳播很遠，像紅色水簾。

2)如果水流是水平流出下落，為了使激光與水“融合”的更好，適當的調整激光角度和水流出口方向，采用出水口向下一個角度斜拋的方式，使得水流的曲率不要太大，保證激光在水流的更多界面處的入射角大于48.6°，這樣能使激光在水中多次全反射，延長激光水流的弧線長度，使激光在水流中被傳播的更遠。

2 光導瀑布制作

1)制作材料:激光器，噴水水箱，接水水槽，水泵，彩燈、彩燈控制電路等。

2)制作要點:多個激光器聯排;上水箱的噴水孔要與激光很好的對應;設計水下彩色燈光控制電路;調整噴水孔角度;調整水泵功率等。

3)技術關鍵:①激光排的每個激光頭要與每個出水孔分別對齊。②水流由一定高度噴下時，水流強度會受重力、空氣阻力等各種因素的影響而減弱，調整噴水口的角度，使水流與激光更大程度的角度吻合。③水泵的功率要合適，泵入水箱的水面要超過噴水孔一定高度，但不能滿，以防爆箱。水泵的功率調整合適，取決于上水箱容量和接水容器的尺寸。

3 作品效果

實際設計的水流弧線長約為60 cm，使激光與水柱達到最大程度的融合，“彩色水流”弧長約為40 cm，多個“彩色水柱”組成“彩色瀑布”。

瀑布下接水采用“透明水槽”，在水槽下方安裝彩燈和控制電路板，實現各色彩燈分時亮滅，使水槽的水成為彩色，整個瀑布看起來有一種斑斕奪目的奇異效果。作品整體造價不高，體積可大可小，可以在不同場合作為裝飾景觀用。

4 作品的創新點

將光線在光導纖維中傳輸應用于激光在水流中傳播形成瀑布，比起一般噴泉更具有科技含量，更具有觀賞性。

5 通過科技制作，培養學生的創新能力

通過光導瀑布的制作團隊的組建、制作方案的設計與確定、制作材料的選購、安裝調試等關鍵步驟，可有效地培養學生的創新思維和創新能力。經過團隊的努力實現了光導瀑布的設計要求，還進一步提高了學生對影響光導瀑布諸因素的全面認識。正是制作過程的反復安裝調試使作品性能不斷完善，不但鍛煉學生的動手能力，而且提高了學生創新能力、發現問題解決問題的能力。

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Principle and Manufacturing of Optical Waterfall

LI Ren-rui
(Department of Social Sciences，Mathematics and Physics，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

According to the theory of total reflection of light，this paper studies the law of laser propagation in horizontal projectile water fluid，and discusses the basic idea and method of manufacture in the formation of the optical waterfall.

total reflection light;laser;optical waterfall

O43

B

1008-9446(2012)03-0078-02

2012-03-05

李仁芮(1957-)，女，河北辛集人，社科與數理部高級實驗師，從事物理及實驗教學研究工作。