激光探測表面波信息

王文成 張君善

【摘要】 實驗上建立了測量液體表面波振幅的激光檢測系統。實驗中CCD每隔0.0625s采集一次圖樣。利用計算機軟件掃描、分析采集到的圖樣，求出了液體表面波的振幅。對于一定深度的液體，研究了液體表面波上升時的動態過程，結果表明，表面波上升過程中其振幅隨時間呈指數規律增大，計算得到上升系數。

【關鍵詞】表面波 振幅 上升系數

探測液體表面波的物理特性，在水下探測和海洋學方面有著重要的應用[1]。早在二十世紀七十年代末，Weisbuch等人首次采用光衍射的方法實現了對液體表面波特性的測量[2]，奠定了用光學方法探究液體表面物理性質的基礎。W.M.Klipstein等人采用光散射技術測量表面波[3]。我們也對液體表面波進行激光探測，并得到了很好的實驗效果[4]。本文建立了液體表面波振幅隨時間變化的測量裝置，分析了表面波隨時間的上升過程。

一、實驗裝置

一圓柱形重錘從一定高度落到光學平臺上使臺面產生振動。樣品池中盛滿蒸餾水。臺面振動會引起液體表面產生表面波。He-Ne激光器發射的激光束以1.47rad的入射角射到樣品池中液面的中心位置處。激光經液體表面波調制后的反射圖樣呈現在觀察屏上。觀察屏距離入射光點8.6m。用PikeF-421B型CCD采集圖樣，CCD每隔0.0625s采集一次圖樣并將采集到的圖樣自動儲存到計算機。

二、理論分析

如圖1所示。液體表面波波函數近似為Y=Acos（wt-tx）（1）

A為表面波振幅，波矢量k=2τ/A，A為表面波波長。波長為入的激光束射到液體表面波上，根據干涉條件：

A[sin O -sin（θψ-）]=jλ（j為整數）時產生干涉極大值。

相鄰光斑的間隔相對于入射點的張角△ψ近似為Aψ=d/L，L是觀察屏與入射光點之間的距離，d是相鄰光斑的間隔，則A：L入/（dcos o），將（1）式兩邊對x求導得Y=kAsin（wt-kx），有tanψ/2）=kAsin（wt-kx），是干涉圖樣的寬度，則DL=4arctan（kA） （2）圖1表面波的光干涉

圖2表面波的上升圖樣

三、實驗及結論

實驗時，在光學平臺上方釋放重錘，重錘撞擊臺面引起樣品池中的液體表面產生波動，。用CCD連續拍攝入射激光被波面調制后的反射圖樣。在單次實驗拍攝到的圖樣中，每隔0.125s選取一張圖樣，如圖3所示。由式（2）可知，圖樣的寬度與表面波的振幅有關，光斑級數越多，說明表面波的振幅越大。圖2可以看出，與圖樣相對應的液體表面波的振幅隨時間變大。

利用MATLAB軟件分別對圖3中各個圖樣進行掃描，根據掃描數據，計算出對應的液體表面波的振幅值，分別為0μm、1.3μm、2.5μm、3.7μm、5.8μm、8.Oμm、10.8 LL m。對實驗數據用最小二乘法進行擬合，根據擬合曲線可知，液體表面波的振幅隨時間呈指數規律增大，并計算得到蒸餾水表面波的上升系數為27μm/s。

參 考 文 獻

[1] BARTER J D.Surface strain modulation ofinsoluble surface film properties [J].Phys Fluids，1994，6（8）：2606～2612

[2] WEISBUCH G，GARBAY F.Light scattering by surface tension waves [J].American Journal of Physics，1979，47（4）：355～356

[3] KLIPSTEIN W M， RADNICH J S，LAMOREAUX S K.Thermally excited liquid surface waves and their study through thequasielastic， scattering of light[J].Americ，an Journal of Physic，s，1996，64：758-765

[4]茁潤才，王文成，許佳婷.液體對微振動的放大效應[J].光子學報，2012，41（10）：1205～1210