自聚焦透鏡聚光原理模擬演示裝置與實驗方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于實驗教學演示儀器技術領域，具體涉及自聚焦透鏡聚光原理模擬演示
目.0
【背景技術】
[0002]光能量的聚集是光學及其相關技術應用領域的基本問題之一。聚光方式分為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鏡聚光，凹面鏡又分為球面凹面鏡和拋物面凹面鏡，應用相當廣泛。透射折射聚光方法中采用的主要元件為聚光透鏡。聚光透鏡是科學研宄、應用光學、激光加工、光學通信、太陽能利用等領域的基本元件。法國物理學家菲涅爾在1822年發明的菲涅爾透鏡以其特有的結構和特性獲得了廣泛應用，早已成為基本的光學元件。眾所周知菲涅爾透鏡在結構上只是傳統凸透鏡幾何形狀的變形，仍屬于透射折射法，學生對其原理的理解沒有難度。
[0003]上世紀60年代發明的自聚焦棒式透鏡，由于其獨特的光學特性以及可與半導體激光器I和光導纖維完美結合的特點，已在光纖通信、光纖傳感、光學儀器、醫療儀器等光信息的傳輸與檢測方面獲得了廣泛應用。自聚焦透鏡的聚光原理，基于光在折射率梯度變化的材料中的曲線傳輸，但目前能制造出的自聚焦透鏡的尺寸仍然很小，很難直觀地看到光在自聚焦透鏡中的徑跡，增加了學生理解上的困難。因此研制一種自聚焦透鏡聚光原理實驗演示裝置具有重要意義。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的一個技術問題在于提供一種設計合理、結構簡單、演示效果直觀的自聚焦透鏡聚光原理模擬演示裝置。
[0005]本發明所要解決的另一個技術問題在于提供一種使用自聚焦透鏡聚光原理模擬演示裝置的實驗方法。
[0006]解決上述技術問題所采用的技術方案是:在底座上設置內裝有水的透明水槽，透明水槽長度方向的右外側面上噴涂有白色油漆層，透明水槽外的后部底座上設置有半導體制冷片支架，半導體制冷片支架上設置有浸入水中的半導體制冷片，半導體制冷片下表面到水槽底部的距離至少為70mm，半導體制冷片的前側面為熱面或冷面、且與水平面垂直，在底座上透明水槽外的左側設置安裝有半導體激光器的激光器支架，半導體激光器出射的發散角為15°?20°的發散激光束從半導體制冷片正下方通過，在白色油漆層上投射形成圓形光斑。
[0007]本發明的透明水槽和半導體制冷片的幾何形狀為長方體，半導體制冷片的熱面與透明水槽的長度側壁平行。
[0008]本發明的半導體激光器出射光的發散角為15°?20°的發散光束中心線與半導體制冷片厚度的中心平面在同一平面內。
[0009]本發明的半導體激光器出射光的發散角最佳為18°的發散光束中心線與半導體制冷片厚度的中心平面在同一平面內。
[0010]使用上述自聚焦透鏡聚光原理模擬演示裝置的實驗方法由下述步驟組成:
[0011]I)調整半導體激光器的出射光方向和發散角為15°?20°，使半導體激光器出射的激光束通過半導體制冷片的正下方，投射在白色油漆層上，在白色油漆層上觀察這時圓形光斑亮度的均勻性；
[0012]2)接通半導體制冷片電源，觀察白色油漆層上圓形光斑中形成的垂直亮光帶和垂直亮光帶兩側亮度的變化情況。
[0013]本發明將通電的半導體制冷片垂直懸掛于水中，利用半導體制冷片冷面不斷吸熱產生的冷流薄層向水槽底部迀移過程中，冷流薄層與兩側處于常溫狀態的水之間熱交換形成的梯度溫度場，在冷流薄層兩側形成水的折射率對稱遞減變化的規律與自聚焦透鏡折射率徑向變化規律相似，建立了演示自聚焦透鏡聚光原理所必需的折射率對稱遞減梯度變化的聚光區域。同時利用發散的激光束沿半導體制冷片長度方向，穿過冷流薄層兩側形成的水折射率對稱遞減變化區域時，冷流兩側的光線向冷流薄層偏折形成的聚光效應，實現了自聚焦透鏡聚光原理的模擬直觀演示。這種結構的自聚焦透鏡聚光原理模擬演示裝置，結構簡單、在水中建立折射率對稱遞減梯度變化聚光區域的速度快、梯度溫度場方向穩定，演示效果明顯、直觀，可作為光學演示和實驗儀器。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明實施例1的結構示意圖。
[0015]圖2是半導體制冷片4未通電時圓形光斑的照片。
[0016]圖3是半導體制冷片4通電后圓形光斑上形成垂直亮光帶的照片。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖和實施例對本發明進一步詳細說明，但本發明不限于這些實施例。
[0018]實施例1
[0019]在圖1中，本實施例的自聚焦透鏡聚光原理模擬演示裝置由半導體激光器1、透明水槽2、半導體制冷片支架3、半導體制冷片4、白色油漆層5、激光器支架6、底座7聯接構成。
[0020]在底座7上放置有透明水槽2，透明水槽2采用有機玻璃制成，也可采用石英玻璃制成，透明水槽2的幾何形狀為長方體，透明水槽2內裝滿水，透明水槽2的右外側面上噴涂有白色油漆層5，白色油漆層5用于顯示投射光斑的形狀。在透明水槽2外的后部底座7上放置有半導體制冷片支架3，半導體制冷片支架3上懸掛有半導體制冷片4，半導體制冷片4浸入水中，半導體制冷片4的幾何形狀為長方體，半導體制冷片4的前側面為熱面，通過切換半導體制冷片4的電源連接極性，也可使半導體制冷片4的前側面為冷面，半導體制冷片4的熱面與水平面垂直、熱面與透明水槽2的前側壁平行、上表面與水平面平行，半導體制冷片4下表面到透明水槽2底部的距離為70mm，半導體制冷片4下表面到水槽底部的具體距離應按照玻璃水槽的高度具體確定。
[0021]在底座7上透明水槽2的左側放置有激光器支架6，激光器支架6上安裝有半導體激光器1，半導體激光器I可在半導體激光器I支架上轉動，半導體激光器I用于產生激光，半導體激光器I的出射光方向和發散角可調，本實施例半導體激光器I出射光的發散角為18°的發散光束中心線與半導體制冷片4厚度的中心平面在同一平面內，半導體激光器I出射發散的激光束從半導體制冷片4的正下方通過，在白色油漆層5上投射形成圓形光斑。
[0022]使用本實施例的自聚焦透鏡聚光原理模擬演示裝置的實驗方法步驟如下:
[0023]1、調整半導體激光器I的出射光方向和發散角為18°，使半導體激光器I出射的激光束通過半導體制冷片4的正下方，投射在白色油漆層5上，在白色油漆層5上觀察這時圓形光斑的均勻性，如圖2所示。由圖2可見，透明水槽內水溫均勻時，形成的圓形光斑是均勻的。
[0024]2、接通半導體制冷片4電源，觀察白色油漆層5上圓形光斑中形成的垂直亮光帶和垂直亮光帶兩側亮度的變化情況，如圖3所示。由圖3可見，圓形光斑上形成一條垂直亮光帶，垂直亮光帶兩側的亮度明顯下降，說明垂直亮光帶兩側的光線向