[发明专利]非均匀介质中光传输特性实验装置与实验方法

说明书

技术领域

本发明属于光学实验仪器技术领域，具体涉及一种非均匀介质中光传输特性实验装置。

背景技术

非均匀介质中光的传输特性，既揭示了“海市蜃楼”等自然现象的物理本质，又在大气光学、激光通信、光纤通信、激光遥感等长光程传输领域的研究和梯度折射率光学元器件的设计与制造等现代科技中获得了非常广泛的应用。然而人们对光线在非均匀介质中的弯曲传输现象，始终存在一定程度的神秘感。这一方面是由于人们自小形成的光直线传播概念的“根深蒂固”，另一方面是在日常生活中目视可见的范围内，难以位于光线的侧面观察光线的弯曲传输现象。这都给学生深刻理解非均匀介质中光的传输特性带来了很大的困难。显然，如果利用实验手段能观察到非均匀介质中光的弯曲传输径迹，定量化研究光线径迹与介质折射率梯度分布大小、方向之间的关系，对深化学生关于非均匀介质中光传输特性的理解，强化学生对非均匀介质中光传输特性的应用与产品研发能力，面向大众普及科学知识，都具有非常重要的意义。但相关的实验仪器在国内外一直处于空白，主要受在实验室内难以快速、低成本的获得大尺度、高梯度、可重复使用的梯度折射率介质这一技术瓶颈的制约。

如上所述，设计研制“非均匀介质中光传输特性实验仪器”的技术难点在于大尺度、高梯度、可重复使用的梯度折射率介质的获得。梯度折射率介质有气体、液体、固体三种介质，但受介质光学特性的物理极限或目前梯度折射率材料制备成本与工艺水平或环境因素的制约，在实验室内一直无法获得可满足实验要求的梯度折射率介质。

其一，气体介质中难以形成高梯度折射率。受“海市蜃楼”现象的启示，人们首先想到的自然是在实验室空间的空气中建立温度梯度场，让学生从侧面观察光线在梯度温度空气中的弯曲传输径迹，研究光的传输规律。但由于空气的比热容很小，空气中能形成的温度梯度很小且受环境影响而难以稳定，这意味着光线只有经过长距离传输后才能形成可目视的偏折(弯曲)。这也是自然界“海市蜃楼”中看到的“景物”往往是几十公里甚至上百公里外的“景物”的像的原因。因此，国内外还没有在实验室内有限空间的空气中，实现非均匀介质中光弯曲传输特性观察与研究的报道。

其二，难以获得大尺度固体梯度折射率介质。尽管通过教科书学生知道了光在梯度(渐变)光纤、自聚焦透镜等光学材料和器件中的弯曲传输，但折射率渐变光学器件的尺寸都非常小，最大的只有几个毫米。显然无法目视其中光线的传输形态。而采用人工方法制备大尺度固体梯度折射率介质的成本极高，目前的工艺水平甚至不可能实现。因此更不可能用其构造实验教学仪器。

其三，液体中难以建立尺度和梯度可控的梯度折射率场。利用在液体建立梯度折射率场来演示“海市蜃楼”现象，是目前国内外唯一的实验演示方法。其特征都是利用透明水槽底部放置大颗粒盐(或糖块)的自然溶解，在透明水槽中形成垂直方向的浓度梯度场，根据液体浓度与折射率的关系，获得梯度折射率介质。但存在以下几方面的问题：(1)大颗粒盐(或糖块)自然溶解形成要求浓度梯度的时间很长，一般需要超过140多小时，而放置1个月左右，浓度梯度又会不可恢复的自然消失，因此实验效率低，无法重复使用。(2)大颗粒盐(或糖块)自然溶解形成的浓度梯度和尺度不可控，梯度的定量测量难度很大。(3)自然形成的浓度梯度的稳定性受环境温度、振动影响大，且不能移动。以上几点都使得利用大颗粒盐(或糖块)的自然溶解形成的梯度折射率场无法定量研究非均匀介质中光传输特性，只能利用其模拟演示“海市蜃楼”现象，而无法进行定量化实验。

以上几点成为国内外研制非均匀介质中光传输特性实验仪器的技术瓶颈，并且多年来一直没有取得突破，致使相关的实验仪器在国内外一直空白。