Optikai technika, amely lehetővé teszi, hogy a levegő és más átlátszó közegek törésmutatójának kis változásait láthassuk.
Mit mutat
A levegő inhomogenitásából adódó törést az egytükrös schlieren optikai berendezésünk teszi láthatóvá. A fénytörést a homorú tükör előtt közvetlenül lévő levegő sűrűségének, hőmérsékletének vagy nyomásának változása okozhatja. Videokamera és monitor segítségével láthatjuk a gyertyalángból felszálló meleg konvekciós áramlatokat, vagy alternatívaként egy pohár jeges vízből süllyedő hideg levegőt. Drámaian láthatóvá válik egy közönséges hajszárító meleg levegőjének sugárzása.
A levegőtől eltérő gázok áramlása is láthatóvá tehető ezzel a technikával. A kén-hexafluorid gáz például hatszor sűrűbb, mint a levegő, és így láthatóan kiönthető egy palackból egy pohárba, mintha folyadék lenne.
Ez a beállításunkról készült videó egy ultrahangos állóhullám nyomásellenállásait mutatja be fényes sávokként:
A fény diffrakcióját is be lehet mutatni tárgyak körül. Ha a legtöbb lámpát lekapcsoljuk, hogy nagyon kevés legyen a környezeti megvilágítás, a tükör elé helyezett tárgyat sötétnek látjuk (nem meglepő módon), mégis vékony, fényes körvonalakkal körülvéve. Ez a fény, amelynek eredete a pontszerű fényforrás, a tárgy szélei körül és a kamerába diffraktálódik.
Hogyan működik
Egy hosszú fókusztávolságú tükör segítségével egy pontszerű fényforrást fókuszálunk egy vékony drótra (vagy borotvapenge élére), amely fényblokkként működik. Közvetlenül a fényblokk mögött helyezkedik el egy kamera, amely a tükör előtt közvetlenül a “vizsgálati területen” lévő tárgyakat nézi. Ha a vizsgálati területen a levegő törésmutatója megváltozik, a pontszerű fényforrás képe kissé eltérül. Ha a fénytábla szélén túlterelődik, a kamerába bejutó további fény csíkokként fog megjelenni, amelyek abból a területről származnak, ahol a törésmutató megváltozott; ez az úgynevezett schlieren-effektus.
A schlieren-effektus fényereje arányos a fénytörésváltozás nagyságával – minél nagyobb a fénytörésváltozás, annál nagyobb a pontszerű fénykép elhajlása, ami azt eredményezi, hogy több fény halad át a fénytömb szélén. Alapvetően a sűrűség változása a felelős a törésmutató (n – 1) változásáért, ahol n a törésmutató. A levegő és más gázok esetében a törésmutató és a gáz sűrűsége (ρ) között egyszerű lineáris kapcsolat áll fenn, amelyet a következő összefüggés ad
n – 1 = kρ
ahol k a Gladstone-Dale együttható néven ismert, és a látható spektrum nagy részén közel állandó. A levegőre vonatkozó értéke körülbelül 2,3×10-4 m3/kg. A pontfénykép δ szögelhajlásának kifejezése az optikai tengelyre merőleges sűrűséggradiens, mondjuk dρ/dx hatására a következő
δ = kL dρ/dx
hol L a zavarás kiterjedése az optikai tengely irányában. Mivel a sűrűség arányos a nyomással és fordítottan arányos a hőmérséklettel, e jellemzők bármilyen változása szintén láthatóvá válik.
Mivel a gáz sűrűségének nagy változása csak a törésmutató kis változásának felel meg, a schlieren rendszernek elég érzékenynek kell lennie ahhoz, hogy csak néhány ívmásodpercnyi szögű eltéréseket érzékeljen. Az ilyen kis eltérések észleléséhez szükséges optikai tőkeáttételhez néhány száz centiméteres fókusztávolságú, nagy tűréshatárral megformált gömbtükörre van szükség. Ahhoz, hogy a megtört fény és a sötét háttér között elegendő kontrasztot biztosítsunk, a pontfénykép átmérőjének a milliméter töredékének kell lennie, míg a fényforrásnak több száz lumen fényáramot kell adnia.
A további kutatáshoz G. S. Settles Schlieren and Shadowgraph Techniques-Visualizing Phenomena in Transparent Media (Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2001) című könyve kiváló, a téma egyik vezető szaktekintélyétől. A könyv technikai részleteket és történelmi hátteret is tartalmaz.
A felállítás
A felállítás – beleértve a gömbtükröt, a fényforrást, a fényblokkot és a videokamerát – gondos összehangolást igényel egy legalább 7 méter hosszú és 2 méter széles térben. A hatás csak a videokamerán keresztül látható, ezért vagy egy nagy monitorra, vagy egy vetítőrendszerre van szükség.
Készülék
(a) Az általunk általában használt pontszerű fényforrás egy kis elemmel működő fehér LED-es zseblámpa, amelyet egy 400 mikronos Melles Griot tűlyuk mögé helyezünk, a kettő közé pedig Vellumot helyezünk az egyenletes megvilágítás érdekében. Mindezeket együtt egy optikai sínhez rögzített házba szereljük.
(b) Az általunk leggyakrabban használt fényblokk egy borotvapenge, amely egy x-y-ban állítható optikai oszlopra van szerelve, amelyet az optikai sínre szerelünk, és úgy tájolunk, hogy a penge függőlegesen és hosszirányban is mozgatható legyen a tükör irányában. Alternatívaként egy 7-es méretű (0,018 hüvelykes átmérőjű) zongorahúr is használható egy lencsetartóba szerelve, de ne feledjük, hogy ez a 400 mikronos lyuk helyett az 500 mikronos tűlyukkal működik a legjobban.
(c) A gömbtükör egy 12,5″ (31,8 cm) átmérőjű, 123″ (312 cm) fókusztávolságú, f/10-es, védett alumínium tükör az Edmund Scientific-től (a tükör tartóját a néhai Costas Papaliolios adományozta nekünk). Ha kevés a hely, van egy 18″ átmérőjű, 2 méter fókusztávolságú, f/4,3 fókuszú tükrünk is, amelyet egy spektrométerből mentettünk ki.
(d) A videokamera, amelyet jelenleg használunk, egy Blackmagic Pocket Cinema Camera, amelyet úgy alakítottunk át, hogy egy Canon TV-16 25-100 mm f/1,8 zoom objektívre illeszthető legyen. Egy Asahi Takumar 300 mm f/6,3 objektív egy Zhongyi Lens Turbo 2 sebességfokozóval szintén használható szűkebb felvételekhez. Az objektív az optikai sínhez egy speciálisan erre a célra készített tartóval van rögzítve. A fényblokkot elég közel kell elhelyezni az objektívhez, hogy az teljesen fókuszon kívül legyen.
(e) Az igazítási eljárás felgyorsítása érdekében készítettek egy adaptert, amellyel egy HeNe-lézert lehet a zoomobjektív C-mount menetére szerelni (a videokamerát természetesen el kell távolítani).
(f) A távcsőtükör számára a legkényelmesebb támaszték a Cavendish-kísérlethez általában használt stabil szögvas állvány. A Spindler & Hoyer optikai sín (az állványtartón) szintén szép és stabil, és teljesen állítható.
Az igazítás
(1) Egyengesd ki az optikai sínt, amelyre a pontszerű fényforrás, a borotvapenge és a zoomlencse/lézer van felszerelve. Helyezze a távcsőtükröt két fókusztávolságnyi távolságra a borotvapengétől, rögzítse a tükörállványt a helyére a szintezőcsavarokkal, és állítsa be az optikai sín magasságát úgy, hogy a lézersugár középen érje a távcsőtükröt.
(2) Forgassa el a tükröt/tükörtartót, hogy a lézersugarat visszairányítsa a tűlyuk felé. Finoman állítsa be a tükröt (a vízszintes és függőleges állítócsavarok segítségével), hogy a sugár pontosan eltalálja a tűlyukat. Vegye ki a lézert a lencséből, és szerelje fel a videokamerát.
(3) Állítsa le az objektívet egészen a lencsehosszig (általában f/22). Ez hatszögletű vignettáló mintázatot eredményez (a lencse íriszétől). Állítsa be újra a távcsőtükröt (a finombeállító csavarokkal) úgy, hogy ez a hatszögletű mintázat a tükörben középre kerüljön (ez a rész a legjobb eredmény eléréséhez elengedhetetlen!).
(4) Emelje fel a fényblokkot, és csúsztassa előre-hátra a tartóját az optikai sínen, hogy a pontszerű fényforrást durván fókuszálja a pengére; finomhangolja a fókuszálást a hosszirányú állítócsavarral (a borotvapenge tartóján). Engedje le a borotvapengét úgy, hogy az éle éppen csak elvágja a pontfényforrás képét. Nyissa ki az objektívet maximális rekesznyílásra, és finomhangolja a borotvapenge élének magasságát. Fókuszálja az objektívet a tükör elé tartott bármilyen tárgyra.
A legdrámaibb hatást akkor éri el, ha az optikai útvonalat zavaró tárgy közvetlenül a tükör előtt van. Vigyázzon, hogy ne érjen a tükörhöz! Rendkívül érzékeny, ha megfelelően van beállítva; egy alkalmi huzat úgy fog kinézni, mint egy elhaladó felhő. A kezéből származó hő foszlányokban emelkedik fel, míg a pohár jeges víz által lehűtött levegő gyorsan süllyed. A felhevített forrasztópáka úgy néz ki, mintha lángolna. A kén-hexafluorid gáz egy tartályból kiömlő folyadéknak tűnik.
A bemutató, bár kissé macerás felállítani, nagyon kifizetődő, és lenyűgözően szép geometriai és fizikai optikai effektusokat eredményez.