11、激光折射成像系统：探索光学不均匀介质的利器

激光折射成像系统：探索光学不均匀介质的利器

1. 液体混合可视化与时间测定

在研究液体混合过程时，我们可以通过绘制时间依赖关系图来深入了解其动态变化。对于快速过程，将噪声水平设置为最大可能值的 1/3 或实验信号最大值的 1/2 时，能获得最佳结果。而液体混合时间 T0 可以从实验曲线中确定，即当达到超过初始激光平面面积一定量（例如 10%）的水平时所对应的时间。

1.1 单截面液体混合可视化

之前的例子主要展示了在研究的流动单截面中两种液体的混合过程。这种方法能让我们直观地看到液体在特定截面的混合情况，但信息相对有限。

1.2 双交叉激光平面的液体混合可视化

为了获取更丰富的信息，双交叉激光平面的方法应运而生。该方法使用不同辐射波长的激光产生激光平面，从而可以追踪流动中两个不同截面的两个密度梯度的变化。具体实验设置如下：
- 使用两个连续波激光器，即红色 He - Ne 激光 1 和蓝色氩激光 2。
- 红色 He - Ne 激光产生的激光平面沿圆柱体 3 的轴线方向，蓝色氩激光产生的激光平面与之垂直。
- 两个激光平面都从搅拌器 4 下方穿过。

典型的实验结果表明，不同截面的激光平面展宽存在差异。垂直激光平面可以可视化水平轴上的折射率梯度，而另一个垂直激光平面则可以可视化垂直轴上的折射率梯度。利用不同辐射波长的激光平面，在处理过程中可以将激光平面展宽分离为两个相互垂直的分量。这一过程可以用以下 mermaid 流程图表示：

graph LR
    A[设置双交叉激光平面] --> B[记录激光平面展宽数据]
    B --> C[分析不同截面激光平面展宽差异]
    C --> D[分离激光平面展宽为垂直分量]

2. 用于监测非稳态热物理过程的双视角激光折射成像系统

2.1 获取复杂物体折射图的双视角系统

为了研究热物理过程，早期开发了单视角激光折射成像装置，并掌握了研究沉浸在液体中的加热体附近热物理过程的技术，还将实验结果与理论结果进行了对比。然而，为了进一步拓展激光折射成像的应用领域，需要设计基于断层流诊断原理的新型测量系统。获取 3D 折射图可以将液体中热过程的诊断提升到一个新的质量水平。

现有的折射成像系统主要用于研究简单类型的光学不均匀性，如加热球周围的单个球形不均匀性。但在实际应用中，会遇到更复杂的不均匀性，这就需要使用改进的折射成像系统。

双视角系统的光学方案如图所示，它由两个激光模块 1 和 5、两个光学系统 2 和 6 组成，形成两个相互垂直的激光平面 3 和 7。装有水的细胞 4 中包含待研究的物体 8。折射图在屏幕 9 和 11 上观察，并通过数字相机 10 和 12 记录，相机信号输入到计算机 13 中。专门开发的软件 14 用于同时记录两个折射图。

该系统可用于确定导致周围产生折射率梯度的加热体的空间位置。例如，使用一个特殊的测试物体，即一个底部固定有三个相同小圆柱的圆柱体。通过分析两个相互垂直的探测激光平面获得的双视角折射图，可以确定圆柱体冷却过程的特征以及小圆柱的位置。具体步骤如下：
1. 准备测试物体，将其放置在装有水的细胞中。
2. 启动双视角系统，使两个相互垂直的激光平面穿过测试物体。
3. 使用数字相机记录屏幕上的折射图。
4. 分析折射图中激光平面的局部偏转情况，确定加热体的冷却特征和小圆柱的位置。

2.2 在散射光中观察折射图的双视角系统

当在研究的流动中引入光散射颗粒以记录被它们散射的激光辐射时，激光折射成像方法为可视化光学不均匀流动提供了新的可能性。这样可以观察结构化激光辐射在流动中的传播并追踪其所有变化。

为了监测沉浸在冷水中的加热金属球上方的非稳态上升气流，设计并制作了一个实验测量系统，用于实现用两个相互垂直的激光平面对感兴趣区域进行双视角探测的方法。该系统的具体组成如下：
- 玻璃细胞 6 中装有冷水。
- 加热金属球 5 的直径为 50.8 mm。
- 光学系统 1 和 3 用于形成激光平面 2 和 4。
- 数字视频相机 7 用于记录散射辐射。
- 个人计算机 8 和 9 用于数据处理。
- 毫伏计 7 连接到固定在球内的热电偶端子，用于记录加热球的温度。
- 视频相机 10 用于记录毫伏计的读数。
- 电子时钟 12 用于记录时间相关过程。

实验过程中，研究的过程具有非稳态、快速变化的对流气流特征，即所谓的热流。这些热流的存在无法从自然对流的理论计算中得出，但之前已经通过激光平面进行了可视化。

使用单个数字相机记录散射辐射的系统具有一定优点，即可以同时记录两个折射图。但在使用几微米大小的散射颗粒时，会出现散射激光辐射方向性窄的缺点。为了克服这一缺点，采用了两个与结构化激光辐射光轴成小角度设置的数字相机的折射成像系统。记录两个折射图的关键条件是相机操作的同步，具体操作如下：
1. 使用相机的外部同步输入。
2. 在计算机中安装特殊软件，设置帧周期短于对应 7 帧/秒帧率的标准。
3. 选择同步模式时，指定采样周期（给定程序版本中有五个采样周期可供选择，决定帧周期）和采样脉冲持续时间。
4. 完成视频记录后，保存具有实际帧周期的文件。

同时，实验还要求在记录折射图的同时测量金属球的表面温度。具体做法是在球的顶部表面下方固定一个热电偶，用数字毫伏计测量热电偶产生的热电动势，用数字频率计数器记录实验的当前时间。毫伏计和频率计数器的读数由 SONY 数字相机 10 记录，记录在相机 7 和 10 的同步电路激活的瞬间开始。为了后续记录来自任一激光平面的折射图图像，在球 5 的顶部正上方 1.1 mm 处固定一根针。

以下表格总结了双视角系统在不同场景下的应用和特点：
| 系统类型 | 应用场景 | 优点 | 缺点 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 双交叉激光平面系统 | 液体混合过程研究 | 可追踪两个密度梯度变化，分离激光平面展宽分量 | - |
| 双视角获取复杂物体折射图系统 | 确定加热体空间位置 | 可获取 3D 折射图，提升诊断水平 | 对复杂不均匀性处理要求高 |
| 双视角散射光折射图系统（单相机） | 监测加热球上方热流 | 可同时记录两个折射图 | 散射激光辐射方向性窄 |
| 双视角散射光折射图系统（双相机） | 监测加热球上方热流 | 克服散射激光辐射方向性窄问题 | 需要相机同步操作 |

3. 获取液体中非稳态对流电流 4D 折射图的系统

基于前面的研究成果，开发了一种相对简单的非稳态物体 4D 诊断方法。该方法的核心是用激光平面对感兴趣区域（如对流电流）进行探测，使用与初始激光平面成一定已知角度设置的数字视频相机记录散射光中的折射图，并对这些折射图进行分析。

下面介绍构建用于非稳态物体 4D 诊断的装置的具体步骤：
1. 对原有的双视角系统进行改造，去除由激光模块 1、形成激光平面 3 的系统 2、毛玻璃屏幕 11 和视频相机 12 组成的测量通道。
2. 将视频相机 10 设置为与水平面成 30°角。
3. 将形成激光平面 7 的系统中半导体激光的辐射功率提高到 25 mW。
4. 调整带有凸起的测试圆柱体的位置，使通过凸起中心的线垂直于激光平面 7 的传播方向。
5. 保持在屏幕 9 上记录折射图的系统不变。

通过该系统可以获得不同时刻加热物体（如底部有三个凸起的圆柱体）的折射图。第一个折射图是在测试物体温度等于细胞 2 中水的温度时获得的，后续的 4D 折射图展示了加热物体在冷水中冷却过程中激光平面形状随时间的三维变化情况。这个过程可以用以下 mermaid 流程图表示：

graph LR
    A[改造双视角系统] --> B[设置相机角度和激光功率]
    B --> C[调整测试物体位置]
    C --> D[记录不同时刻折射图]
    D --> E[分析激光平面形状随时间变化]

4. 实验折射图库

前面介绍的测量系统和折射图展示了激光折射成像方法在研究光学不均匀介质（包括稳态和非稳态）方面的强大能力。实际上，任何不均匀性都有其独特的折射图，仅取决于不均匀性的类型和用于研究它的结构化激光辐射类型。这使得能够快速诊断光学不均匀性的类型，即引起给定类型光学不均匀性的物理场类型。

以下是不同类型结构化激光辐射获得的典型折射图：
| 折射图编号 | 结构化激光辐射类型 | 测试物体 | 折射图特征 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 1 | 激光平面 | 加热的平行六面体底部下方 | 显示激光平面在平行六面体底部下方的轮廓变化，边缘效应明显 |
| 2 | 激光平面 | 加热的平行六面体边缘附近 | 呈现倾斜激光平面在平行六面体边缘附近的情况，边缘效应显著 |
| 3 | 激光平面 | 加热的平行六面体垂直侧面附近 | 展示垂直激光平面沿着平行六面体侧面的变化，边缘效应突出 |
| 4 | 激光平面 | 平底圆柱体底部下方 | 与球的折射图有明显差异，反映了圆柱体底部的折射情况 |
| 5 | 圆柱形 SLR | 球形不均匀性 | 典型的圆柱形 SLR 被球形不均匀性折射的情况 |
| 6 | 十字形 SLR | 不同折射率液体混合的不均匀湍流流动 | 显示混合液体中梯度的各向异性随坐标的变化 |
| 7 - 9 | 十字形 SLR | 激光束尺寸大于研究物体附近边界层厚度的情况 | 具有特定的折射特征，反映了激光束与边界层的相互作用 |

这些折射图为研究人员提供了丰富的参考，有助于更深入地理解不同光学不均匀介质中的物理过程。通过对比和分析这些折射图，可以更好地掌握激光折射成像技术在实际应用中的特点和优势，为进一步的研究和应用提供有力支持。

综上所述，激光折射成像系统在液体混合、热物理过程监测以及非稳态对流电流研究等方面都有着重要的应用价值。通过不断改进和优化测量系统，结合实验折射图库的参考，能够更准确地诊断和理解光学不均匀介质中的各种物理现象，为相关领域的研究和发展提供有力的技术支持。