基于相干光诱导光栅理论的二元溶液热特性研究

摘要

热扩散现象是热学领域重要的研究内容，在能源、化工、半导体等行业都有着广泛的应用。溶液、聚合物、胶体等物质的热扩散性质可以用热扩散系数、质量扩散系数和索雷特系数等参量来描述。由于热扩散过程微观复杂，易受外界因素影响，选取合适的方法对精确测量热扩散相关参数尤为重要。相干光诱导光栅法是对溶液写入两束相干光，利用吸光作用对溶液产生微扰，用另一束读出光探测溶液经相干光作用后热扩散过程的一种方法。在相干光诱导光栅过程中，由于衍射光强随时间的变化是热扩散过程和质量扩散过程的映射，所以通过分析衍射光强可以间接得到热扩散系数和质量扩散系数等参量。相比于传统的测量方法，相干光诱导光栅法具有测量速度快、精度高等一系列优点。
　　论文以二元溶液中热量传递和质量传递理论为基础，理论分析了二元溶液在两束相干写入光作用下和关闭写入光后温度光栅、浓度光栅和折射率光栅等光栅的调制深度随时间的演变规律，并定量分析了实验中各参数对光栅调制深度的影响机制。
　　将理论分析和实验相结合，研究了掺有甲基红染料的二硫化碳酒精溶液的热扩散过程。理论上，数值模拟出在写入光作用下和关闭写入光后样品溶液中温度光栅、浓度光栅、折射率光栅等光栅的调制深度和读出光经折射率光栅作用后一级衍射光强随时间的演变规律。实验上，以波长为532 nm的激光作为相干写入光、以波长为632.8 nm的激光作为探测读出光搭建了相干光诱导光栅实验光路。实验采集的读出光一级衍射光强和理论模拟结果符号较好。根据理论方程和实验结果，拟合出样品溶液的热扩散系数和质量扩散系数，将拟合结果和经典值进行了对比分析。
　　论文还以温度光栅和浓度光栅组成的双光栅系统作为研究对象，研究了读出光经温度光栅和浓度光栅作用后一级衍射光强随时间的变化规律。基于衍射理论，推导出平面波在任意小角度入射条件下经动态双光栅衍射后的光强分布，数值模拟了在垂直入射和小角度入射条件下0级衍射光强随时间的变化过程。在实验上，搭建动态双光栅光路，测量了0级衍射光强随时间的变化过程，并与理论模拟结果进行了对比分析。
　　最后，将双光栅衍射理论应用到二元溶液相干光诱导光栅的分析中。采用双光栅法理论分析了读出光经溶液中温度光栅和浓度光栅作用后的一级衍射光强，并与实验结果和折射率光栅法得出的结果进行了对比分析。两种不同的理论方法拟合出的结果和实验结果都符合较好，为相干光诱导光栅法研究二元溶液的热特性提供理论支持。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.1.1 课题研究背景

1.1.2 课题研究方法和意义

1.2 热扩散测量方法简述

1.3 基于光学途径的溶液热特性研究现状

1.4 课题的主要研究内容

第2章 二元溶液相干光诱导光栅的理论分析

2.1 引言

2.2 二元溶液非均匀受热理论

2.2.1 二元溶液热传导理论

2.2.2 二元溶液质量传输理论

2.3 相干光作用下二元溶液中光栅形成过程的理论分析

2.3.1 强度光栅形成过程

2.3.2 相干光诱导温度光栅形成过程

2.3.3 热致浓度光栅形成过程

2.3.4 折射率光栅形成过程

2.4 弛豫过程的理论分析

2.5 本章小结

第3章 二元溶液相干光诱导光栅的数值分析与实验验证

3.1 引言

3.2 二元溶液中光栅调制深度的数值分析

3.2.1 温度光栅形成过程数值分析

3.2.2 浓度光栅形成过程数值分析

3.2.3 折射率光栅形成过程数值分析

3.2.4 弛豫过程数值分析

3.3 二元溶液相干光诱导光栅实验分析

3.3.1 实验光路的搭建

3.3.2 实验样品的选取和配制

3.3.3 实验结果与理论结果对比分析

3.3.4 实验数据拟合

3.4 本章小结

第4章 利用双光栅衍射理论分析读出光衍射信号

4.1 引言

4.2 动态双光栅模型理论分析和实验验证

4.2.1 动态双光栅衍射理论分析

4.2.2 动态双光栅实验结果与理论模拟结果对比分析

4.3 双光栅法分析读出光衍射光强

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其他成果

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致谢