光导瀑布的原理与制作

李仁芮

(承德石油高等专科学校社科与数理部，河北承德 067000)

光导瀑布的原理与制作

李仁芮

(承德石油高等专科学校社科与数理部，河北承德 067000)

根据光的全反射理论，研究了激光在平抛水流中的传播规律，探讨了形成光导瀑布的基本思路及其制作方法。

全反射;激光;光导瀑布

光导瀑布是通过水流传导光束，将激光与水流融合在一起，直观效果好像红色的激光顺水而下，制作成彩色水流的景观作品，可以在家庭、公园等场所作为装饰物，美化环境，作品运行时赏心悦目，令人心旷神怡。

1 光导瀑布原理

光导瀑布基本思路是利用光线在光导纤维中传输的原理，即光由光密介质传输到光疏介质，角度合适时会发生全反射，在此情形下，光在水流里沿弧线传播，看上去就像是水流具有了光的颜色，形成了光导瀑布。

全反射是光由光密媒质射到光疏介质的界面时，全部被反射回原介质内的现象。

光由一种介质传播到另一介质时，产生折射(见图1)，有

当入射角θ增加到某一值时，折射线沿表面进行，即折射角为γ=90°，此时的入射角称为临界角c (见图2)。当入射角大于临界角时就形成全反射［1］。产生全反射的条件是:1)光必须由光密介质射向光疏介质。2)入射角θ必须大于临界角c。

光导纤维是全反射现象的重要应用。蜃景的出现是光在空气中全反射形成的。

使用激光打向水柱，要使光线沿水流经多次全反射而传播，激光和水流要符合一定的角度要求(见图3)。

依此对激光与水流方向进行分析:

1)如果水流与激光同方向，激光的方向性很好，入射角θ几乎为90°，远比临界角48.6°大，光能沿水流传播很远，像红色水帘。

2)如果水流是水平流出下落，为了使激光与水“融合”的更好，适当的调整激光角度和水流出口方向，采用出水口向下一个角度斜抛的方式，使得水流的曲率不要太大，保证激光在水流的更多界面处的入射角大于48.6°，这样能使激光在水中多次全反射，延长激光水流的弧线长度，使激光在水流中被传播的更远。

2 光导瀑布制作

1)制作材料:激光器，喷水水箱，接水水槽，水泵，彩灯、彩灯控制电路等。

2)制作要点:多个激光器联排;上水箱的喷水孔要与激光很好的对应;设计水下彩色灯光控制电路;调整喷水孔角度;调整水泵功率等。

3)技术关键:①激光排的每个激光头要与每个出水孔分别对齐。②水流由一定高度喷下时，水流强度会受重力、空气阻力等各种因素的影响而减弱，调整喷水口的角度，使水流与激光更大程度的角度吻合。③水泵的功率要合适，泵入水箱的水面要超过喷水孔一定高度，但不能满，以防爆箱。水泵的功率调整合适，取决于上水箱容量和接水容器的尺寸。

3 作品效果

实际设计的水流弧线长约为60 cm，使激光与水柱达到最大程度的融合，“彩色水流”弧长约为40 cm，多个“彩色水柱”组成“彩色瀑布”。

瀑布下接水采用“透明水槽”，在水槽下方安装彩灯和控制电路板，实现各色彩灯分时亮灭，使水槽的水成为彩色，整个瀑布看起来有一种斑斓夺目的奇异效果。作品整体造价不高，体积可大可小，可以在不同场合作为装饰景观用。

4 作品的创新点

将光线在光导纤维中传输应用于激光在水流中传播形成瀑布，比起一般喷泉更具有科技含量，更具有观赏性。

5 通过科技制作，培养学生的创新能力

通过光导瀑布的制作团队的组建、制作方案的设计与确定、制作材料的选购、安装调试等关键步骤，可有效地培养学生的创新思维和创新能力。经过团队的努力实现了光导瀑布的设计要求，还进一步提高了学生对影响光导瀑布诸因素的全面认识。正是制作过程的反复安装调试使作品性能不断完善，不但锻炼学生的动手能力，而且提高了学生创新能力、发现问题解决问题的能力。

［1］ 赵凯华.光学［M］.北京:北京大学出版社，2008.

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Principle and Manufacturing of Optical Waterfall

LI Ren-rui
(Department of Social Sciences，Mathematics and Physics，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

According to the theory of total reflection of light，this paper studies the law of laser propagation in horizontal projectile water fluid，and discusses the basic idea and method of manufacture in the formation of the optical waterfall.

total reflection light;laser;optical waterfall

O43

B

1008-9446(2012)03-0078-02

2012-03-05

李仁芮(1957-)，女，河北辛集人，社科与数理部高级实验师，从事物理及实验教学研究工作。