激光探测表面波信息

王文成 张君善

【摘要】 实验上建立了测量液体表面波振幅的激光检测系统。实验中CCD每隔0.0625s采集一次图样。利用计算机软件扫描、分析采集到的图样，求出了液体表面波的振幅。对于一定深度的液体，研究了液体表面波上升时的动态过程，结果表明，表面波上升过程中其振幅随时间呈指数规律增大，计算得到上升系数。

【关键词】表面波 振幅 上升系数

探测液体表面波的物理特性，在水下探测和海洋学方面有着重要的应用[1]。早在二十世纪七十年代末，Weisbuch等人首次采用光衍射的方法实现了对液体表面波特性的测量[2]，奠定了用光学方法探究液体表面物理性质的基础。W.M.Klipstein等人采用光散射技术测量表面波[3]。我们也对液体表面波进行激光探测，并得到了很好的实验效果[4]。本文建立了液体表面波振幅随时间变化的测量装置，分析了表面波随时间的上升过程。

一、实验装置

一圆柱形重锤从一定高度落到光学平台上使台面产生振动。样品池中盛满蒸馏水。台面振动会引起液体表面产生表面波。He-Ne激光器发射的激光束以1.47rad的入射角射到样品池中液面的中心位置处。激光经液体表面波调制后的反射图样呈现在观察屏上。观察屏距离入射光点8.6m。用PikeF-421B型CCD采集图样，CCD每隔0.0625s采集一次图样并将采集到的图样自动储存到计算机。

二、理论分析

如图1所示。液体表面波波函数近似为Y=Acos（wt-tx）（1）

A为表面波振幅，波矢量k=2τ/A，A为表面波波长。波长为入的激光束射到液体表面波上，根据干涉条件：

A[sin O -sin（θψ-）]=jλ（j为整数）时产生干涉极大值。

相邻光斑的间隔相对于入射点的张角△ψ近似为Aψ=d/L，L是观察屏与入射光点之间的距离，d是相邻光斑的间隔，则A：L入/（dcos o），将（1）式两边对x求导得Y=kAsin（wt-kx），有tanψ/2）=kAsin（wt-kx），是干涉图样的宽度，则DL=4arctan（kA） （2）图1表面波的光干涉

图2表面波的上升图样

三、实验及结论

实验时，在光学平台上方释放重锤，重锤撞击台面引起样品池中的液体表面产生波动，。用CCD连续拍摄入射激光被波面调制后的反射图样。在单次实验拍摄到的图样中，每隔0.125s选取一张图样，如图3所示。由式（2）可知，图样的宽度与表面波的振幅有关，光斑级数越多，说明表面波的振幅越大。图2可以看出，与图样相对应的液体表面波的振幅随时间变大。

利用MATLAB软件分别对图3中各个图样进行扫描，根据扫描数据，计算出对应的液体表面波的振幅值，分别为0μm、1.3μm、2.5μm、3.7μm、5.8μm、8.Oμm、10.8 LL m。对实验数据用最小二乘法进行拟合，根据拟合曲线可知，液体表面波的振幅随时间呈指数规律增大，并计算得到蒸馏水表面波的上升系数为27μm/s。

参 考 文 献

[1] BARTER J D.Surface strain modulation ofinsoluble surface film properties [J].Phys Fluids，1994，6（8）：2606～2612

[2] WEISBUCH G，GARBAY F.Light scattering by surface tension waves [J].American Journal of Physics，1979，47（4）：355～356

[3] KLIPSTEIN W M， RADNICH J S，LAMOREAUX S K.Thermally excited liquid surface waves and their study through thequasielastic， scattering of light[J].Americ，an Journal of Physic，s，1996，64：758-765

[4]茁润才，王文成，许佳婷.液体对微振动的放大效应[J].光子学报，2012，41（10）：1205～1210