水的光学特性实验研究

张晓峻，董婉佳，孙 露，孙晶华

(1.哈尔滨工程大学 理学部，黑龙江 哈尔滨 150001; 2.北京邮电大学 信息与通信工程学院, 北京 100876)

1 水的吸收光谱特性

各种物质有其特殊的吸收光谱特性。水的吸收光谱特性与水中所含的物质成分密切相关[1-3]。由于水分子在紫外和红外光谱带上有强烈的共振，因而对这部分光表现出强烈的吸收作用。紫外的共振是由于电子的激发而引起的，红外的共振起因于分子的激发[4-6]。水分子在可见光谱带范围产生的共振较弱，因此水在可见光范围内的吸收比紫外和红外小得多[7-9]。

1.1 光谱测量装置

光谱测量装置如图1所示。光谱仪为Maya2000pro微型光纤光谱仪,光源为DH2000-BAL 氘卤钨灯平衡型光源。

图1 光谱测量装置

1.2 光谱测量结果

测得的清水(自来水)和海水的透射光谱见图2。由测得的透射光谱可以看出:在可见光范围内，清水比海水的透射光谱范围宽，且透射率高；海水在波长400～500 nm范围内透射率最高，在波长500～600 nm范围内透射率居其次，在波长600～800 nm范围内透射率最低。

图2 海水与清水透过率光谱比较

2 水的折射率

本测量的折射率是指该介质对589.3 nm的钠黄光所具有的折射率。

2.1 测量装置

折射率测量装置如图3所示，其中有2WA-J阿贝折射仪，ZKY-PID温控实验仪。

图3 折射率测量装置

2.2 水的折射率测量结果

表1 不同温度下纯净水的折射率数据

表2 不同温度下的清水折射率数据

表3 不同温度下海水的折射率数据

图4 纯净水、清水和海水折射率随温度变化曲线对比图

由实验曲线可以看出，纯净水、清水、海水的折射率都随温度的增加而减小，且呈线性变化。经计算，3条直线的斜率近似相等，均为1.55×10-4℃-1。在室温(19 ℃)时，海水的折射率为1.339 1，纯净水和清水的折射率分别为1.333 1和1.333 3。

3 水的衰减特性

3.1 衰减系数定义

平面光波在吸收媒质中传播时，经过一厚度为dl的平行薄层后，光强从I变到I+dI，如图5所示，根据Lambert-Beer定律[10-11]，dI/I与吸收层的厚度dl成正比，即：

(1)

式中，α为衰减系数，由媒质的特性决定。对于厚度为l的介质层,有

lnI=-αl+C

(2)

式中，C为一积分常数。

如当l=0时，I=I0，则C=lnI0，代入(2)式有

I=I0e-αl

(3)

式(3)就是朗伯-比尔定律的数学表示式。

由(3)式可得

(4)

式中，T为透过率。

图5 平面光波在吸收媒质中传播示意

3.2 衰减系数测量实验结果

实验仪器仅在图1中增加1片透射波长为532 nm的滤光片，其他相同。比色皿的长度为1 cm，测得的海水、纯水和清水对于波长λ=532 nm的透过率平均值分别为99.47%、99.62%和99.62%，衰减系数平均值分别为0.531 4m-1、0.380 7 m-1和0.380 7 m-1。

4 结论

由测得的透射光谱可以看出，在可见光范围内，清水的透射光谱比海水的宽，透射率高。海水在400～500 nm波长范围内透射率最高，在500～600 nm波长范围内透射率次之，在600～800 nm波长范围内透射率最低。用阿贝折射仪测量了纯净水、清水和海水的折射率随温度的变化。实验结果表明，纯净水、清水、海水的折射率随温度的变化率都为1.55×10-4℃-1。在室温(19 ℃)下，海水的折射率为1.339 1，清水和纯净水的折射率分别为1.333 3和1.333 1，在理论分析时可认为三者近似相等。对波长λ=532 nm的绿光，海水的衰减系数比清水和纯水的衰减系数大。

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