Optische techniek waarmee we kleine veranderingen in de breking van lucht en andere transparante media kunnen zien.
Wat het laat zien
Breking als gevolg van inhomogeniteit in lucht wordt zichtbaar gemaakt met onze schlieren optiek opstelling met één spiegel. De breking kan worden veroorzaakt door veranderingen in de dichtheid, temperatuur, of druk van de lucht vlak voor de holle spiegel. Met een videocamera en een monitor kunnen we warme convectiestromen uit een kaarsvlam zien opstijgen, of juist koude lucht uit een glas ijswater zien zakken. De straal warme lucht van een gewone haardroger wordt op dramatische wijze zichtbaar gemaakt.
De stroming van andere gassen dan lucht kan met deze techniek ook in beeld worden gebracht. Zwavelhexafluoridegas bijvoorbeeld is zes keer dichter dan lucht, en kan dus zichtbaar uit een fles in een glas worden gegoten alsof het een vloeistof is.
Deze video van onze opstelling toont de drukantinodes van een ultrasone staande golf als heldere banden:
Ook kan men de diffractie van licht rond voorwerpen aantonen. Door de meeste lichten te dimmen, zodat er zeer weinig omgevingsverlichting is, wordt een voorwerp dat voor de spiegel wordt geplaatst als donker gezien (niet verrassend), maar toch omgeven door een dunne, heldere omtrek van licht. Dit licht, dat afkomstig is van de puntlichtbron, wordt rond de randen van het voorwerp en in de camera verstrooid.
Hoe het werkt
Een spiegel met lange brandpuntsafstand wordt gebruikt om een puntlichtbron te richten op een dunne draad (of scheermesrand), die als lichtblok fungeert. Direct achter het lichtblok is een camera geplaatst, die kijkt naar objecten direct voor de spiegel in het “testgebied”. Als de brekingsindex van de lucht in het testgebied verandert, zal het beeld van de puntlichtbron enigszins worden afgebogen. Als het wordt afgebogen voorbij de rand van het lichtblok, zal het extra licht dat de camera binnenvalt, verschijnen als lichtstrepen die afkomstig zijn van het gebied waar de brekingsindex is veranderd; dit is het zogenaamde schlieren-effect.
De helderheid van het schliereneffect is evenredig met de grootte van de verandering in breking – hoe groter de verandering in breking, hoe groter de afbuiging van het puntlichtbeeld, waardoor er meer licht over de rand van het lichtblok valt. In wezen zijn het veranderingen in de dichtheid die verantwoordelijk zijn voor veranderingen in de brekingscoëfficiënt (n – 1), waarbij n de brekingsindex is. Voor lucht en andere gassen bestaat er een eenvoudig lineair verband tussen de brekingsindex en de gasdichtheid, ρ, gegeven door
n – 1 = kρ
waarbij k bekend staat als de Gladstone-Dale coëfficiënt en bijna constant is over het grootste deel van het zichtbare spectrum. De waarde voor lucht is ongeveer 2,3×10-4 m3/kg. De uitdrukking voor de hoekafbuiging δ van het puntlichtbeeld door een dichtheidsgradiënt loodrecht op de optische as, zeg dρ/dx, wordt gegeven door
δ = kL dρ/dx
waarbij L de spanwijdte is van de verstoring in de richting van de optische as. Aangezien de dichtheid evenredig is met de druk en omgekeerd evenredig met de temperatuur, worden veranderingen in deze eigenschappen eveneens zichtbaar gemaakt.
Omdat grote veranderingen in de dichtheid van een gas overeenkomen met slechts een kleine verandering in de brekingsindex, moet het schlieren-systeem gevoelig genoeg zijn om afbuigingen van slechts enkele boogseconden van de hoek te detecteren. De optische hefboomwerking die nodig is om deze kleine afbuigingen zichtbaar te maken vereist een sferische spiegel met een brandpuntsafstand van enkele honderden centimeters, en gevormd met een hoge tolerantie. Om voldoende contrast te geven tussen het gebroken licht en de donkere achtergrond, moet de diameter van het puntlichtbeeld een fractie van een millimeter zijn, terwijl de lichtbron een flux van enkele honderden lumen moet kunnen geven.
Voor verder onderzoek is Schlieren and Shadowgraph Techniques-Visualizing Phenomena in Transparent Media (Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2001) van G. S. Settles een uitstekend boek van een van de meest vooraanstaande autoriteiten op dit gebied. Het bevat zowel technische details als historische achtergrondinformatie.
Opstelling
De opstelling – met de sferische spiegel, lichtbron, lichtblok en videocamera – vereist een zorgvuldige uitlijning in een ruimte die minstens 7 meter lang en 2 meter breed is. Het effect kan alleen door de videocamera worden gezien, zodat een grote monitor of een projectiesysteem nodig is.
Uitrusting
(a) De puntlichtbron die we gewoonlijk gebruiken is een kleine witte LED-zaklamp op batterijen die achter een 400 micron Melles Griot pinhole wordt geplaatst met Vellum ertussen voor een gelijkmatige verlichting. Deze zijn allemaal samen gemonteerd in een behuizing die is bevestigd aan een optiek rail.
(b) Het licht blok dat we het vaakst gebruiken is een scheermesje gemonteerd op een x-y verstelbare optiek post, die is gemonteerd op de optiek rail en zodanig georiënteerd dat het blad kan verticaal worden verplaatst en longitudinaal in de richting van de spiegel. Als alternatief kan een maat 7 pianodraad (0,018 inch diameter) gemonteerd in een lens houder ook worden gebruikt, maar houd in gedachten dat dit het beste werkt met de 500 micron pinhole in plaats van de 400 micron one.
(c) De sferische spiegel is een 12,5 “(31,8 cm) diameter, 123″ (312 cm) brandpuntsafstand, f/10, beschermde aluminium spiegel van Edmund Scientific (de spiegel mount werd aan ons geschonken van wijlen Costas Papaliolios). Als de ruimte beperkt is, hebben we ook een 18” diameter, 2 meter brandpuntsafstand, f/4.3 spiegel die we hebben geborgen uit een spectrometer.
(d) De videocamera die we momenteel gebruiken is een Blackmagic Pocket Cinema Camera, die we hebben aangepast om een Canon TV-16 25-100 mm f/1.8 zoomlens te plaatsen. Een Asahi Takumar 300 mm f/6.3 lens met een Zhongyi Lens Turbo 2 speed booster kan ook worden gebruikt voor strakkere opnamen. De lens wordt op de optiekrail bevestigd via een speciaal daarvoor gemaakte vatting. Het lichtblok moet dicht genoeg bij de lens worden geplaatst zodat het volledig uit focus is.
(e) Om de uitlijning te versnellen is een adapter gemaakt om een HeNe laser op de C-mount schroefdraad van de zoomlens te monteren (de videocamera moet natuurlijk worden verwijderd).
(f) De meest handige steun voor de telescoop spiegel is de stevige hoek-ijzer standaard die normaal voor het Cavendish experiment wordt gebruikt. De Spindler & Hoyer optiekrail (op het statief) is ook mooi en stevig en volledig instelbaar.
Uitlijning
(1) Zet de optiekrail waarop de puntlichtbron, scheermesje, en zoomlens/laser is gemonteerd waterpas. Plaats de telescoopspiegel op een afstand van twee brandpuntsafstanden van het scheermesje, vergrendel de spiegelhouder op zijn plaats met de nivelleerschroeven, en stel de hoogte van de optiekrail zo in dat de laserstraal de telescoopspiegel in het midden raakt.
(2) Draai de spiegel/spiegelhouder om de laserstraal terug te richten naar het pengat. Stel de spiegel fijn (met behulp van de horizontale en verticale stelschroeven) om precies het pinhole te raken met de straal. Verwijder de laser van de lens en monteer de videocamera.
(3) Zet de lens ver omlaag (meestal f/22). Dit produceert een zeshoekig vignetteringspatroon (van de iris van de lens). Stel de telescoop spiegel (met de fijnafstelling schroeven), zodat dit zeshoekige patroon is gecentreerd in de spiegel (dit deel is van cruciaal belang voor de beste resultaten!).
(4) Til het licht blok en schuif de mount heen en weer op de optica rail om grof te focussen de punt lichtbron op het blad; fijnafstelling van de scherpstelling met de longitudinale stelschroef (op het scheermesje mount). Laat het scheermesje zakken zodat de rand ervan nog net het beeld van de puntbron afsnijdt. Open de lens tot het maximale diafragma en stel de hoogte van de scheermesrand af. Stel de lens scherp op het voorwerp dat voor de spiegel wordt gehouden.
De meest dramatische effecten worden gezien wanneer het voorwerp dat het optische pad verstoort zich recht voor de spiegel bevindt. Let op dat u de spiegel niet aanraakt! Hij is uiterst gevoelig wanneer hij goed is uitgelijnd; een enkele tocht zal eruit zien als een voorbijtrekkende wolk. De warmte van uw hand stijgt in rook op, terwijl de lucht, gekoeld door een glas ijswater, snel zinkt. Een verhitte soldeerbout ziet eruit alsof hij in brand staat. Zwavel hexafluoride gas lijkt een vloeistof die uit een container stroomt.
Hoewel het opzetten een beetje lastig is, is de demonstratie zeer de moeite waard met verbluffend mooie geometrische en fysische optische effecten.