牛顿及非牛顿流体间临界状态下布里渊散射的研究方法

摘要

本发明公开了牛顿及非牛顿流体间临界状态下布里渊散射的研究方法，取等量的纯净水及纯净植物油，将其置于振荡器中，使纯净水和纯净植物油充分混合，形成混合液体，且油体位于水体的上方；使激光依次打在混合分层液体中的水体的下部和中部、水体与油体的分界层以及油体的下部和中部；在检测不同深度时通过水浴加热器加热混合分层液体，计算机通过信号采集器ICCD分别采集不同深度下的不同温度的布里渊散射信号，并由计算机处理，绘制出各个温度下不同层次的布里渊散射信号数据。通过采集临界状态的布里渊散射信号，分析临界状态下布里渊散射各参量的特性，便于揭示不同类流体产生的布里渊散射特性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光子探测技术，特别涉及一种探测处于牛顿及非牛顿流体间临界状态下布里渊散射的研究方法。

背景技术

非弹性散射中的布里渊散射作为非线性光学中的一个重要研究方向，已经得到了广泛和深入的研究，其中水体、气体以及光纤中的布里渊散射都有较为深入的研究。通常所讲的流体中布里渊散射的研究，指的是水中和大气中。对流体力学而言，流体又分为牛顿流体和非牛顿流体，水和大气属于牛顿流体。因此，找到一种能够探测处于牛顿及非牛顿流体间临界状态下布里渊散射的方法，对于深入研究牛顿及非牛顿流体间布里渊散射的特性具有十分重要的意义。通过分析水及植物油品混合体中布里渊散射信号的特性，可对流体中布里渊散射的研究做进一步完善。

水是典型的牛顿流体，而植物油是典型的非牛顿流体。水中布里渊散射各参量的特性与植物油中布里渊散射各参量的特性具有明显的差异，具体表现在：水中布里渊散射的频移随温度的升高而增加，布里渊散射线宽随温度的升高而减小；植物油中布里渊散射的频移随温度的升高而减小，布里渊散射线宽随温度的升高而增大。由此可知，不同类流体其布里渊散射各参量的特性也是不同的，因此对牛顿及非牛顿流体临界状态下布里渊散射的研究，揭示这两种流体布里渊散射特性差异的意义重大，基于这种思想提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的探测方法，其可对牛顿及非牛顿流体间临界状态下进行布里渊散射的探测，揭示牛顿及非牛顿流体间布里渊散射特性差异。

本发明采用以下技术方案实现上述目的。牛顿及非牛顿流体间临界状态下布里渊散射的研究方法，计算机分别连接激光器、信号采集器ICCD和数控升降台，长焦镜头与信号采集器ICCD对接，激光器前方依次设置有半波片、偏振片、四分之一波片、第一凸透镜及水浴加热器，激光器输出的激光光轴与半波片、四分之一波片及第一凸透镜共轴，偏振片与激光光轴呈45°角，激光依次透过半波片、偏振片、四分之一波片及第一凸透镜，再射入数控升降台上的水浴加热器中；偏振片的另一侧对应设置有反射三棱镜，反射三棱镜的一侧依次设置有第二凸透镜、狭缝、第三凸透镜、F-P标准具、长焦镜头及信号采集器ICCD，经反射三棱镜反射的信号光光轴与第二凸透镜、狭缝、第三凸透镜、F-P标准具、长焦镜头及信号采集器ICCD共轴，信号光依次透过第二凸透镜、狭缝、第三凸透镜、F-P标准具及长焦镜头，最后由信号采集器ICCD采集布里渊散射信号并由计算机处理；

所述水浴加热器呈圆筒状，由外至内依次设置有外壳、隔热材料、加热板、第一玻璃槽、纯净水、第二玻璃槽和混合待测液体；外壳、隔热材料、加热板、第一玻璃槽及第二玻璃槽均为圆柱体，外壳紧密包裹隔热材料，加热板由隔热材料包裹，第一玻璃槽与加热板紧密贴合，第一玻璃槽与第二玻璃槽之间充满纯净水，第二玻璃槽内装有混合待测液体；

其步骤如下：

1）取等量的纯净水及纯净植物油，将其置于振荡器中，使纯净水和纯净植物油充分混合，形成混合液体，将这种混合液体加入密封的水浴加热器内，水浴加热器置于阴凉通风处数日并控制混合分层液体的温度，在第二玻璃槽内形成混合分层液体，且油体位于水体的上方；

2）打开计算机并启动激光器、信号采集器ICCD及数控升降台；

3）开启激光器并使激光依次透过半波片、偏振片、四分之一波片和第一凸透镜后射入第二玻璃槽中；

4）由计算机控制数控升降台，使激光依次打在混合分层液体中的水体的下部和中部、水体与油体的分界层以及油体的下部和中部；在检测不同深度时通过水浴加热器加热混合分层液体，计算机通过信号采集器ICCD分别采集不同深度下的不同温度的布里渊散射信号；

5）计算机将上述采集于不同温度下的不同混合分层的布里渊散射信号作分析处理，并获得不同混合分层及临界状态下布里渊散射各特性的差异，绘制出各个温度下不同层次的布里渊散射信号数据。

所述水浴加热器控制混合分层液体的温度范围为25℃～60℃，且每隔一摄氏度采集一个信号。

本发明的优点在于，该探测方法既可探测牛顿流体及非牛顿流体间两流体不同渐越程度的布里渊散射，又可对牛顿及非牛顿流体临界状态的布里渊散射的探测。该方法反应迅速，时效性强。

附图说明

图1为本发明装置示意图（实线箭头入射激光传播方向，虚线箭头信号光传播方向）。

图2为本发明中的水浴加热器局部剖面结构示意图。

图3为图2中A-A向截面结构示意图。

图4为第二玻璃槽内探测混合分层液体中的水体下部的激光光路图。

图5为第二玻璃槽内探测混合分层液体中的水体中部的激光光路图。

图6为第二玻璃槽内探测混合分层液体中的水体与油体分界层（临界状态）激光光路图。

图7为第二玻璃槽内探测混合分层液体中的油体下部的激光光路图。

图8为第二玻璃槽内探测混合分层液体中的油体中部的激光光路图。

图9为本发明的布里渊散射二维环状谱（黑色区域）和对应黑色区域ABCD点的一维布里渊谱（白色区域）。

图中：1.计算机，2.激光器，3.半波片，4.偏振片，5.四分之一波片，6.第一凸透镜，7.水浴加热器，701.外壳，702.隔热材料,703.加热板,704.第一玻璃槽,705. 纯净水,706.第二玻璃槽,707.混合待测液体，8.数控升降台，9.反射三棱镜，10.第二凸透镜，11.狭缝，12.第三凸透镜，13.F-P标准具，14.长焦镜头，15.信号采集器ICCD。

具体实施方式

现根据附图和实施例对本发明作进一步说明。参见图1，牛顿及非牛顿流体间临界状态下布里渊散射的研究方法，计算机1分别连接激光器2、信号采集器ICCD15和数控升降台8，长焦镜头14与信号采集器ICCD15对接，激光器2前方依次设置有半波片3、偏振片4、四分之一波片5、第一凸透镜6及水浴加热器7，激光器2输出的激光光轴与半波片3、四分之一波片5及第一凸透镜6共轴，偏振片4与激光光轴呈45°角，激光依次透过半波片3、偏振片4、四分之一波片5及第一凸透镜6，最后射入数控升降台8上的水浴加热器7中；偏振片4的另一侧对应设置有反射三棱镜9，反射三棱镜9的一侧依次设置有第二凸透镜10、狭缝11、第三凸透镜12、F-P标准具13、长焦镜头14及信号采集器ICCD15，经反射三棱镜反射9的信号光光轴与第二凸透镜10、狭缝11、第三凸透镜12、F-P标准具13、长焦镜头14及信号采集器ICCD15共轴，信号光依次透过第二凸透镜10、狭缝11、第三凸透镜12、F-P标准具13及长焦镜头14，最后由信号采集器ICCD15采集布里渊散射信号并由计算机1处理；

所述水浴加热器呈圆筒状，由外至内依次设置有外壳701、隔热材料702、加热板703、第一玻璃槽704、纯净水705、第二玻璃槽706和混合待测液体707；外壳701、隔热材料702、加热板703、第一玻璃槽704及第二玻璃槽706均为圆柱体，外壳701紧密包裹隔热材料702，加热板703由隔热材料702包裹，第一玻璃槽704与加热板703紧密贴合，第一玻璃槽704与第二玻璃槽706之间充满纯净水705，第二玻璃槽706内装有混合待测液体707；

探测步骤如下：

1）取纯净水及纯净植物油按1:1的比例混合，将其置于振荡器中，使这两种液体充分混合，形成混合液体，将这种混合液体加入密封的水浴加热器7内，水浴加热器7置于阴凉通风处数日，水浴加热器7控制混合分层液体的温度变化范围在25℃至60℃之间，且每隔一摄氏度采集一个信号；并在第二玻璃槽706内形成混合分层液体，由于密度的不同，两种液体开始分层且油体位于水体的上方；

2）如发明装置图1所示，打开计算机1并启动激光器2、信号采集器ICCD15及数控升降台8；

3）开启激光器2并使激光依次透过半波片3、偏振片4、四分之一波片5和第一凸透镜6后射入第二玻璃槽706中；

4）计算机1控制数控升降台8，使激光打在混合分层液体中的水体的下部，计算机1通过信号采集器ICCD15采集此时的布里渊散射信号；

5）通过水浴加热器7加热混合分层液体，采集此深度下不同温度的布里渊散射信号；

6）计算机1控制数控升降台8上升，使激光打在混合分层液体中的水体的中部，计算机1通过信号采集器ICCD15采集此时的布里渊散射信号；

7）重复步骤5）；

8）计算机1控制数控升降台8上升，使激光打在混合分层液体中的水体与油体的分界层上，计算机1通过信号采集器ICCD15采集此时的布里渊散射信号；

9）重复步骤5）；

10）计算机1控制数控升降台8上升，使激光打在混合分层液体中的油体的下部，计算机1通过信号采集器ICCD15采集此时的布里渊散射信号；

11）重复步骤5）；

12）计算机1控制数控升降台8上升，使激光打在混合分层液体中的油体的中部，计算机1通过信号采集器ICCD15采集此时的布里渊散射信号；

13）重复步骤5）；

14）计算机1将上述采于不同温度下的不同混合分层的布里渊散射信号作分析处理，并获得不同混合分层及临界状态下布里渊散射各特性的差异，绘制出各个温度下不同层次的布里渊散射信号数据。

在测量不同温度的布里渊散射信号时，通过较为稳定的水浴加热法，控制混合分层液体的温度。

   实施例：图2为本发明中的水浴加热器局部剖面结构示意图。探测介于牛顿及非牛顿流体间临界状态下布里渊散射信号并分析散射信号的特性时，必须考虑温度对散射信号的影响。因此，为保证混合分层液体温度的稳定及测量多温度下的散射信号，采用此种水浴加热器，可满足测量精度的需求。

图3为图2中A-A向截面结构示意图。图中701.外壳，702.隔热材料,703.加热板,704.第一玻璃槽,705. 纯净水,706.第二玻璃槽,707.混合待测液体；

外壳701采用塑胶材料，厚度为3 ～5mm；隔热材料702采用玻璃纤维，填充厚度为3cm；加热板703功率为30W左右，厚度为5mm，紧贴在第一玻璃槽704上；第一玻璃槽704的厚度为3mm，内直径为8cm，外直径为8.3cm；第二玻璃槽706的厚度为2mm，内直径为5cm，外直径为5.2cm。

图4为第二玻璃槽内探测混合分层液体中的水体下部的激光光路图。计算机1通过数控升降台8调节水浴加热器7的高度，将激光会聚在混合分层液体中的水体的下部并采集分析该层布里渊散射信号。

图5为第二玻璃槽内探测混合分层液体中的水体中部的激光光路图。计算机1通过数控升降台8调节水浴加热器7的高度，将激光会聚在混合分层液体中的水体的中部并采集分析该层布里渊散射信号。

图6为第二玻璃槽内探测混合分层液体中的水体与油体分界层（临界状态）激光光路图。计算机1通过数控升降台8调节水浴加热器7的高度，将激光会聚在混合分层液体中的水体与油体分界层并采集分析该层布里渊散射信号。

图7为第二玻璃槽内探测混合分层液体中的油体下部的激光光路图。计算机1通过数控升降台8调节水浴加热器7的高度，将激光会聚在混合分层液体中的油体的下部并采集分析该层布里渊散射信号。

图8为第二玻璃槽内探测混合分层液体中的油体中部的激光光路图。计算机1通过数控升降台8调节水浴加热器7的高度，将激光会聚在混合分层液体中的油体的中部并采集分析该层布里渊散射信号。

图9为为本发明的布里渊散射二维环状谱（黑色区域）和对应黑色区域ABCD点的一维布里渊谱（白色区域）。黑色区域内的圆环为各级布里渊散射及瑞利散射构成的双环结构，白色区域为黑色区域内圆环直径过A、B、C、D点截取的一维信号图，其中A点为N级布里渊散射，B点为N级瑞利散射，C点为N-1级布里渊散射，D点为N-1级瑞利散射，                                               为植物油的受激布里渊散射频移量。通过计算机采用Winview软件对光谱信号进行处理分析并通过公式：（式中：：N-1级瑞利圆环半径；：N-1级受激布里渊散射圆环半径；：N级瑞利圆环半径；：Fabry-Perot自由光谱范围）计算受激布里渊散射的频移。

布里渊散射是入射光波场与散射介质内的声波场相互作用而产生的一种光散射现象，其明显特征在于布里渊散射光频率相对于入射光的频率有微小的移动（比拉曼散射的频移小得多），它作为非线性光学中的一个重要研究方向，已在牛顿流体参数的测量上表现出优越的性能，但非牛顿流体中布里渊散射的特性我们并不知晓。因此，找到一种能够探测处于牛顿及非牛顿流体间临界状态下布里渊散射的方法，对于深入研究牛顿及非牛顿流体间布里渊散射的特性具有十分重要的意义。通过分析水及植物油品混合体中布里渊散射信号的特性，可对流体中布里渊散射的研究做进一步完善。