海市蜃楼形成的理论分析与实验模拟再现

分别根据费马原理和光学拉格朗日方程进行了理论推导,得到了自然界里出现的上现蜃景海市蜃楼现象,光线在大气中传输的轨迹方程.两种方法得到的方程所描绘的都是一系列向上凸的曲线,以利用分层折射率的分析方法得到的曲线相似,解释了上现蜃景海市蜃楼的形成原因.利用浓液法对海市蜃楼中的上现蜃景进行了实验模拟再现.实验过程中采用了"纱网框上浮法"注入清水,成功配制了折射率随高度均匀梯度变化的NaCl水溶液,穿过浓液的激光光路和理论轨迹方程曲线相似,观察到了实景物清晰稳定的上现蜃景像.     

梯度折射率介质下的光路计算与成像研究

使用激光照射具有梯度折射率的介质将形成海市蜃楼现象的光路轨迹"可视化"。主要研究了不同波长的激光在线性和非线性梯度折射率介质中的光路轨迹和成像情况。基于几何光学原理推导了光路方程并使用Matlab光线追迹算法计算了线性和非线性情况下的成像。实验上,通过自制仪器配置有折射率梯度的溶液并观察光路轨迹以及拍摄实物成像。实验拍摄的光路轨迹与理论推导基本一致,为海市蜃楼等现象的演示以及成像问题的研究提供了新的参考。     

海市蜃楼现象的模拟与研究

利用食盐和蔗糖溶液,分别构建了两种不同的体系来模拟海市蜃楼现象,均实现了良好的上现蜃景。同时对两种体系在实验过程中出现的各种现象和成像效果做了比较,从物理实验的角度形象地加深了对海市蜃楼这一神秘自然景观的认识和理解。     

解释“蜃景”模型的实验探究

用全反射解释"蜃景"是错误的;可以用"棱镜"、"凸透镜"模型解释,用模拟实验探究可以得到相同的结论."马路蜃景"的产生是完全不同于一般所谓的"海市蜃楼"的.沙漠里有时出现的蜃景,是真正的"海市蜃楼",亦可能是"马路蜃景"与"海市蜃楼"同时发生.     

非线性变折射率大气中的海市蜃楼

讨论了一种非线性变折射率大气中的海市蜃楼,利用变分法导出了形成蜃景的条件及物点与观察者之间距离的计算式.     

密度不同的水平气层不会因全反射造成正立的蜃景

现行普高和职高的物理教科书中均有海市蜃楼的阅读内容，描述了海面上和沙漠中造成蜃景的原因并提供了相应的图示．让人疑惑的是两者主要都是由密度不同的水平气层因光的全反射引起，区别仅在前者是下层密度大，上层密度小，而后者则反之．但蜃景与景物之间的关系则不一样，前者保持方向上的一致——蜃景正立，     

创新性模拟海市蜃楼现象

利用定影粉配制成浓度连续变化的溶液,来模拟大气中密度连续变化的空气,实验获得了良好的海市蜃楼"上现蜃景"效果;另外,用不同浓度的蔗糖溶液配制成的梯度溶液,实现了"两个上现蜃景"的效果。通过对这两种体系的成像效果的研究,加深了对海市蜃楼这一神秘自然景观的认识和理解。     

飞秒激光微纳3D打印新进展——首次实现微尺度光波段3D Luneburg透镜

正梯度折射率光学(gradient-index optics)是光学领域近年来蓬勃发展的研究分支之一,其研究的对象是非均匀折射率介质中的光学现象[1]。发生于非均匀介质中的光学现象在自然界是一种普遍存在的客观物理现象。早在公元100年,人们就己观察到"海市蜃楼"、"沙漠神泉"等奇景,都是由于大气层折射率的局部不均匀变化对地面景色产生折射而出现的一种奇观。通过对这些自然现象的观察、研究,人们逐渐领悟到材料折射率的非均匀性可以导     

用线性变折射率模型解释海市蜃楼

利用线性变折射率模型,定量分析了海市蜃楼现象,导出大气中的光线方程,并研究了蜃像位置与观察者的关系。     

法布里-珀罗干涉仪测平板玻璃折射率的方法研究

根据光线在法布里-珀罗干涉仪中的传播特点,提出了测量平板玻璃折射率的方法 .首先对法布里-珀罗干涉仪中插入平板玻璃前、后所产生的相邻等倾干涉亮纹直径平方的差值和法布里-珀罗干涉仪内、外介质的折射率之间的关系分别进行了理论分析;然后搭建实验光路,使用移测显微镜对干涉亮纹直径进行观察和测量,在平板玻璃厚度已知的前提下,即可得出平板玻璃的折射率,且实验中观察到的现象和测量结果与理论分析相吻合.     

光在非均匀介质中传播规律的演示

光在介质中的传播规律遵循费马原理,如：在均匀介质中,光沿直线传播．在非均匀介质中,光的传播轨迹比较复杂,与非均匀介质的状态有密切关系．尽管海市蜃楼和沙漠幻影是大自然中能够看到的光在非均匀介质中的传播现象,但只有在一定条件下才能出现,不是随时可以看到的．为了能在光学教学中让学生能够看到光在非均匀介质中的传播,本文利用白糖溶液和水之间扩散形成的浓度非均匀区域,实现了光线的非直线传播．通过光线实际传播的路径,计算了非均匀区域液体折射率的相对变化．这一演示实验取材简单,容易实现,对学生思维训练具有一定的借鉴意义．     

线性共蒸法制备非均匀膜的误差特性模拟分析

对双源线性共蒸法制备的非均匀薄膜折射率分布与光学特性的关系作了探讨,并与均匀介质膜的光学特性作了对比;从折射率正变和负变两个方面,讨论了混合介质膜折射率不同变化规律对光学性能带来的影响;讨论了厚度误差和折射率极值误差对非均匀膜光学性能的影响。结果发现折射率变化规律误差主要对非均匀膜的应用波段范围产生影响,而膜层厚度误差和折射率极值误差超过一定值时,将对薄膜光学特性产生重要影响。     

基于熔融拉锥光纤的液体折射率传感器

从理论和实验上研究了一种价格低廉、操作简单、可用于多点并行测量的液体折射率光纤传感器.该传感器采用分路器进行预分光,利用高稳定放大自发辐射光源作为光源、普通光功率计作为光电探测器,以熔融拉锥光纤作为传感单元.建立了一个简单模型,分析了芯层所携带的光功率占总的光功率的比值随外部介质折射率变化的关系.实验上对不同折射率样品的传输损耗进行了测量,采用对比方法作出了传输损耗随折射率变化的定标曲线.实验结果表明:外部介质折射率越高,传输损耗越大.并验证了反射器(光纤布拉格光栅)的引入能够有效的提高系统的灵敏度.     

含负折射率材料空芯Bragg光纤的束缚损耗特性

将负折射率材料引入到空芯Bragg光纤包层中,形成具有正负折射率介质层交替的空芯Bragg光纤,运用传输矩阵理论对该Bragg光纤的束缚损耗特性进行分析和计算,并与传统的全正折射率介质层Bragg光纤的束缚损耗进行对比。结果发现:在最低损耗方面含负折射率材料的空芯Bragg光纤没有表现出任何优势,但在最低损耗点附近的损耗小于全正折射率介质层Bragg光纤,损耗曲线比较平滑,并且传输波长范围较宽;当空气作为一个介质层的材料时,两种Bragg光纤的束缚损耗特性几乎一致;当减小包层折射率对比时出现了与全正折射率介质层Bragg光纤不同的现象,损耗曲线变的更为平滑,说明传输波长范围变宽了。     

分子间相互作用对联合散射谱带强度的影响

测量了苯在八种溶液中不同浓度下联合散射谱带992厘米^-1的积分强度及溶液折射率。研究了谱带强度、浓度、折射率与苯在这些溶液中吸收频率之间的相互关系。结果表明,谱带强度随浓度的偏离系与溶液折射率与苯折射率之差成正比。在不同溶液中的谱带强度与其折射率成直线关系,即强度与溶液的性质无关,只与折射率有关。谱带强度与苯在这些溶液中的吸收频率共振因子成正比关系,从介质对电子吸收谱带的扰动观点以共振联合散射效应讨论了实验结果。     

关于折射率对散射光场分布影响的研究

根据Mie散射理论,采用理论计算和实验相结合的手法,研究了光散射现象以及散射介质的折射率对散射光场分布的影响.通过对空气中不同折射率的散射介质形成的散射光场光强的实验比较,论证了散射介质折射率的实部变化对散射光强的影响不大,其主要影响是通过对相位的变化来实现的,也即散射介质折射率的虚部变化对光强的影响很大,在实际应用中不可忽略.这一结论对以散射光场的分布为基础的各种研究具有一定的指导意义.     

迈克耳孙干涉仪测量介质板折射率的问题研究

使用迈克耳孙干涉仪测量较厚介质板的折射率时,发现迈克耳孙干涉仪中放入待测介质板后,反射镜M1的调节方向异常.针对这一实验现象,从理论上进行分析,解释了实验中出现的异常现象,并推导出反射镜M1在两次观测中移动的距离与介质板折射率的关系式.实验结果进一步证明理论与公式的正确性.     

激光场对光学薄膜的作用

采用Mach-Zehnder干涉仪和光学延迟装置研究了Q开关激光与膜料折射率大于基底折射率和膜料折射率小于基底折射率的二类单层光学介质薄膜多次重复作用产生的等离子体形貌,从而对激光与介质薄膜相互作用的场效应进行了实验验证。     

飞秒激光脉冲作用下光学玻璃的色心和折射率变化

实验研究了近红外飞秒激光脉冲诱导重钡火石玻璃产生的色心、紫外透明和折射率变化,测量了样品在激光辐照前后的吸收光谱和折射率的变化.实验发现色心的产生伴随着折射率的改变,但色心漂白后,折射率的改变依然存在,表明色心与折射率改变的热稳定性不一致,意味着飞秒激光脉冲诱导玻璃折射率变化的机理与色心产生的机理不同.实验还观察到色心区域在紫外产生透明;色心漂白后,紫外透明消失的现象,并阐述了可能的机理和应用.     

色散及视觉函数对白光干涉测折射率影响的分析

对使用迈克耳孙干涉仪白光干涉测量透明介质折射率实验中出现的3种异常现象的原因进行了分析。在考虑介质色散并对人视觉函数作适当简化的情况下,求得了干涉条纹可见度、可见白光干涉条纹时动镜的移动范围和折射率的表达式,并由实验对其结果进行了验证。结果表明,运用此方法测量所得的平行板透明介质折射率并非通常由相速度所定义的相折射率,而是白光在介质中由群速度所定义的群折射率。此方法可以用测量到的群折射率和已知的相折射率求得介质在中心波长处的色散。