自聚焦透镜聚光原理模拟演示装置与实验方法

摘要

一种自聚焦透镜聚光原理模拟演示装置，在底座上设内装有水的透明水槽，透明水槽的右外侧面上设白色油漆层，透明水槽外后部底座上设半导体制冷片支架，半导体制冷片支架上设浸入水中的半导体制冷片，半导体制冷片下表面到水槽底部的距离至少为70mm，半导体制冷片前侧面为热面、且与水平面垂直，底座上透明水槽外左侧设安装有半导体激光器的激光器支架，半导体激光器出射的发散角为15°～20°的发散激光束从半导体制冷片正下方通过，在白色油漆层上投射形成圆形光斑。这种模拟演示装置，结构简单、在水中建立折射率对称递减梯度变化聚光区域的速度快、梯度温度场方向稳定，演示效果明显、直观，可作为光学演示和实验仪器。

说明书

技术领域

本发明属于实验教学演示仪器技术领域，具体涉及自聚焦透镜聚光原理模拟演 示装置。

背景技术

光能量的聚集是光学及其相关技术应用领域的基本问题之一。聚光方式分为反 射聚光法和透射折射聚光法。反射聚光的基本方法是利用凹面镜聚光，凹面镜又分 为球面凹面镜和抛物面凹面镜，应用相当广泛。透射折射聚光方法中采用的主要元 件为聚光透镜。聚光透镜是科学研究、应用光学、激光加工、光学通信、太阳能利 用等领域的基本元件。法国物理学家菲涅尔在1822年发明的菲涅尔透镜以其特有 的结构和特性获得了广泛应用，早已成为基本的光学元件。众所周知菲涅尔透镜在 结构上只是传统凸透镜几何形状的变形，仍属于透射折射法，学生对其原理的理解 没有难度。

上世纪60年代发明的自聚焦棒式透镜，由于其独特的光学特性以及可与半导 体激光器1和光导纤维完美结合的特点，已在光纤通信、光纤传感、光学仪器、医 疗仪器等光信息的传输与检测方面获得了广泛应用。自聚焦透镜的聚光原理，基于 光在折射率梯度变化的材料中的曲线传输，但目前能制造出的自聚焦透镜的尺寸仍 然很小，很难直观地看到光在自聚焦透镜中的径迹，增加了学生理解上的困难。因 此研制一种自聚焦透镜聚光原理实验演示装置具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题在于提供一种设计合理、结构简单、演示效果 直观的自聚焦透镜聚光原理模拟演示装置。

本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种使用自聚焦透镜聚光原理模 拟演示装置的实验方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在底座上设置内装有水的透明水槽， 透明水槽长度方向的右外侧面上喷涂有白色油漆层，透明水槽外的后部底座上设置 有半导体制冷片支架，半导体制冷片支架上设置有浸入水中的半导体制冷片，半导 体制冷片下表面到水槽底部的距离至少为70mm，半导体制冷片的前侧面为热面或冷 面、且与水平面垂直，在底座上透明水槽外的左侧设置安装有半导体激光器的激光 器支架，半导体激光器出射的发散角为15°～20°的发散激光束从半导体制冷片正 下方通过，在白色油漆层上投射形成圆形光斑。

本发明的透明水槽和半导体制冷片的几何形状为长方体，半导体制冷片的热面 与透明水槽的长度侧壁平行。

本发明的半导体激光器出射光的发散角为15°～20°的发散光束中心线与半 导体制冷片厚度的中心平面在同一平面内。

本发明的半导体激光器出射光的发散角最佳为18°的发散光束中心线与半导 体制冷片厚度的中心平面在同一平面内。

使用上述自聚焦透镜聚光原理模拟演示装置的实验方法由下述步骤组成：

1)调整半导体激光器的出射光方向和发散角为15°～20°，使半导体激光器 出射的激光束通过半导体制冷片的正下方，投射在白色油漆层上，在白色油漆层上 观察这时圆形光斑亮度的均匀性；

2)接通半导体制冷片电源，观察白色油漆层上圆形光斑中形成的垂直亮光带 和垂直亮光带两侧亮度的变化情况。

本发明将通电的半导体制冷片垂直悬挂于水中，利用半导体制冷片冷面不断吸 热产生的冷流薄层向水槽底部迁移过程中，冷流薄层与两侧处于常温状态的水之间 热交换形成的梯度温度场，在冷流薄层两侧形成水的折射率对称递减变化的规律与 自聚焦透镜折射率径向变化规律相似，建立了演示自聚焦透镜聚光原理所必需的折 射率对称递减梯度变化的聚光区域。同时利用发散的激光束沿半导体制冷片长度方 向，穿过冷流薄层两侧形成的水折射率对称递减变化区域时，冷流两侧的光线向冷 流薄层偏折形成的聚光效应，实现了自聚焦透镜聚光原理的模拟直观演示。这种结 构的自聚焦透镜聚光原理模拟演示装置，结构简单、在水中建立折射率对称递减梯 度变化聚光区域的速度快、梯度温度场方向稳定，演示效果明显、直观，可作为光 学演示和实验仪器。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是半导体制冷片4未通电时圆形光斑的照片。

图3是半导体制冷片4通电后圆形光斑上形成垂直亮光带的照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施 例。

实施例1

在图1中，本实施例的自聚焦透镜聚光原理模拟演示装置由半导体激光器1、 透明水槽2、半导体制冷片支架3、半导体制冷片4、白色油漆层5、激光器支架6、 底座7联接构成。

在底座7上放置有透明水槽2，透明水槽2采用有机玻璃制成，也可采用石英 玻璃制成，透明水槽2的几何形状为长方体，透明水槽2内装满水，透明水槽2的 右外侧面上喷涂有白色油漆层5，白色油漆层5用于显示投射光斑的形状。在透明 水槽2外的后部底座7上放置有半导体制冷片支架3，半导体制冷片支架3上悬挂 有半导体制冷片4，半导体制冷片4浸入水中，半导体制冷片4的几何形状为长方 体，半导体制冷片4的前侧面为热面，通过切换半导体制冷片4的电源连接极性， 也可使半导体制冷片4的前侧面为冷面，半导体制冷片4的热面与水平面垂直、热 面与透明水槽2的前侧壁平行、上表面与水平面平行，半导体制冷片4下表面到透 明水槽2底部的距离为70mm，半导体制冷片4下表面到水槽底部的具体距离应按照 玻璃水槽的高度具体确定。

在底座7上透明水槽2的左侧放置有激光器支架6，激光器支架6上安装有半 导体激光器1，半导体激光器1可在半导体激光器1支架上转动，半导体激光器1 用于产生激光，半导体激光器1的出射光方向和发散角可调，本实施例半导体激光 器1出射光的发散角为18°的发散光束中心线与半导体制冷片4厚度的中心平面在 同一平面内，半导体激光器1出射发散的激光束从半导体制冷片4的正下方通过， 在白色油漆层5上投射形成圆形光斑。

使用本实施例的自聚焦透镜聚光原理模拟演示装置的实验方法步骤如下：

1、调整半导体激光器1的出射光方向和发散角为18°，使半导体激光器1出 射的激光束通过半导体制冷片4的正下方，投射在白色油漆层5上，在白色油漆 层5上观察这时圆形光斑的均匀性，如图2所示。由图2可见，透明水槽内水温均 匀时，形成的圆形光斑是均匀的。

2、接通半导体制冷片4电源，观察白色油漆层5上圆形光斑中形成的垂直亮 光带和垂直亮光带两侧亮度的变化情况，如图3所示。由图3可见，圆形光斑上形 成一条垂直亮光带，垂直亮光带两侧的亮度明显下降，说明垂直亮光带两侧的光线 向垂直亮光带处聚集，分析形成这一现象的机理与自聚焦透镜聚光原理的相似性。

实施例2

在透明水槽2外的后部底座7上放置有半导体制冷片支架3，半导体制冷片支 架3上悬挂有半导体制冷片4，半导体制冷片支架3和半导体制冷片4浸入水中， 半导体制冷片4的几何形状为长方体，半导体制冷片4的前侧面为热面，半导体制 冷片4的热面与水平面垂直、热面与透明水槽2的前侧壁平行、上表面与水平面平 行，半导体制冷片4下表面到透明水槽2底部的距离为70mm。其它零部件以及零部 件的联接关系与实施例1相同。在底座7上透明水槽2的左侧放置有激光器支架6， 激光器支架6上安装有半导体激光器1，本实施例半导体激光器1出射光的发散角 为15°，发散光束中心线与半导体制冷片4厚度的中心平面在同一平面内，半导体 激光器1出射发散的激光束从半导体制冷片4的正下方通过，在白色油漆层5上投 射形成圆形光斑。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

使用本实施例的自聚焦透镜聚光原理模拟演示装置的实验方法步骤如下：

在步骤1中，调整半导体激光器1的出射光方向和发散角为15°，使半导体激 光器1出射的激光束通过半导体制冷片4的正下方，投射在白色油漆层5上，在白 色油漆层5上观察这时圆形光斑亮度的均匀性。步骤2与实施例1相同。

实施例3

在透明水槽2外的后部底座7上放置有半导体制冷片支架3，半导体制冷片支 架3上悬挂有半导体制冷片4，半导体制冷片支架3和半导体制冷片4浸入水中， 半导体制冷片4的几何形状为长方体，半导体制冷片4的前侧面为热面，半导体制 冷片4的热面与水平面垂直、热面与透明水槽2的前侧壁平行、上表面与水平面平 行，半导体制冷片4下表面到透明水槽2底部的距离为80mm。其它零部件以及零部 件的联接关系与实施例1相同。在底座7上透明水槽2的左侧放置有激光器支架6， 激光器支架6上安装有半导体激光器1，本实施例半导体激光器1出射光的发散角 为20°，发散光束中心线与半导体制冷片4厚度的中心平面在同一平面内，半导体 激光器1出射发散的激光束从半导体制冷片4的正下方通过，在白色油漆层5上投 射形成圆形光斑。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

使用本实施例的自聚焦透镜聚光原理模拟演示装置的实验方法步骤如下：

在步骤1中，调整半导体激光器1的出射光方向和发散角为20°，使半导体激 光器1出射的激光束通过半导体制冷片4的正下方，投射在白色油漆层5上，在白 色油漆层5上观察这时圆形光斑亮度的均匀性。步骤2与实施例1相同。

本发明的工作原理如下：

浸于水中的半导体制冷片4通电后，半导体制冷片4冷面不断吸热，与冷面接 触的水被吸热降温，降温后的水密度增大，在重力的作用下向流动，靠近冷面处于 常温状态的水又补充到半导体制冷片4的冷面上，以此形成半导体制冷片4的冷面 上不断有冷水向半导体制冷片4下方的水中流动。沿在半导体制冷片4的冷面向下 流动的冷水，在水中形成冷流薄层，同时冷流薄层与两侧的水进行热交换，在冷流 薄层两侧形成对称的方向与冷流薄层垂直的正梯度温度场。水在4℃以上的密度 与温度成反比，而水的密度越大、折射率越大，即水温低，折射率大，在冷流薄层 两侧的形成对称的折射率由大到小的梯度变化区域。由于光线在传输过程中总是向 折射率大的区域偏折，因此纵向通过冷流薄层的激光束，在冷流薄层两侧对称且方 向相反的正梯度温度场中产生不同方向的偏折，将发散的激光束，向中间聚集，这 种聚光现象的机理与自聚焦透镜的聚光原理完全相同，以此实现了自聚焦透镜聚光 原理的直观演示。