Technika optyczna, która pozwala nam zobaczyć małe zmiany w załamaniu światła w powietrzu i innych przezroczystych mediach.
Co to pokazuje
Refrakcja spowodowana niejednorodnością w powietrzu jest widoczna dzięki naszemu zestawowi optyki schlierenowskiej z jednym lustrem. Załamanie może być spowodowane zmianami gęstości, temperatury lub ciśnienia powietrza bezpośrednio przed zwierciadłem wklęsłym. Za pomocą kamery wideo i monitora możemy zobaczyć ciepłe prądy konwekcyjne unoszące się z płomienia świecy lub, alternatywnie, zimne powietrze opadające ze szklanki z lodowatą wodą. Strumień ciepłego powietrza ze zwykłej suszarki do włosów staje się dramatycznie widoczny.
Przepływ gazów innych niż powietrze może być również wizualizowany za pomocą tej techniki. Na przykład sześciofluorek siarki ma sześciokrotnie większą gęstość niż powietrze i może być w widoczny sposób wlany z butelki do szklanki, tak jakby był cieczą.
Niniejszy filmik przedstawia antynomy ciśnienia ultradźwiękowej fali stojącej jako jasne pasma:
Można również zademonstrować dyfrakcję światła wokół obiektów. Po wyłączeniu większości świateł, tak że oświetlenie otoczenia jest bardzo słabe, obiekt umieszczony przed lustrem jest widziany jako ciemny (co nie jest zaskakujące), ale otoczony cienkim, jasnym konturem światła. To światło, którego źródłem jest punktowe źródło światła, jest rozpraszane wokół krawędzi obiektu i do aparatu.
Jak to działa
Lustro o długiej ogniskowej jest używane do ogniskowania punktowego źródła światła na cienkim drucie (lub krawędzi żyletki), który działa jako blok świetlny. Bezpośrednio za blokiem świetlnym umieszczona jest kamera, która patrzy na obiekty znajdujące się bezpośrednio przed lustrem w „obszarze testowym”. Jeśli nastąpi zmiana współczynnika załamania powietrza w obszarze testowym, obraz z punktowego źródła światła zostanie lekko odchylony. Jeśli zostanie on odchylony poza krawędź bloku świetlnego, dodatkowe światło, które dostanie się do kamery, pojawi się jako smugi światła pochodzące z obszaru, w którym nastąpiła zmiana współczynnika załamania; jest to tak zwany efekt schlierena.
Jasność efektu schlierena jest proporcjonalna do wielkości zmiany refrakcji – im większa zmiana refrakcji, tym większe ugięcie obrazu światła punktowego, co powoduje, że więcej światła przechodzi nad krawędzią bloku świetlnego. Zasadniczo, to zmiany w gęstości są odpowiedzialne za zmiany w refrakcji (n – 1), gdzie n jest indeksem załamania. Dla powietrza i innych gazów, istnieje prosta liniowa zależność pomiędzy współczynnikiem załamania światła a gęstością gazu, ρ, dana przez
n – 1 = kρ
gdzie k jest znane jako współczynnik Gladstone-Dale’a i jest prawie stałe w większości spektrum widzialnego. Jego wartość dla powietrza wynosi około 2,3×10-4 m3/kg. Wyrażenie na odchylenie kątowe δ obrazu światła punktowego przez gradient gęstości prostopadły do osi optycznej, powiedzmy dρ/dx, jest dane przez
δ = kL dρ/dx
gdzie L jest rozpiętością zaburzenia w kierunku osi optycznej. Ponieważ gęstość jest proporcjonalna do ciśnienia i odwrotnie proporcjonalna do temperatury, wszelkie zmiany tych cech są również widoczne.
Ponieważ dużym zmianom gęstości gazu odpowiada tylko niewielka zmiana współczynnika załamania, system schlieren musi być wystarczająco czuły, aby wykryć odchylenia o zaledwie kilka arcsekund kątowych. Dźwignia optyczna potrzebna do uwidocznienia tych niewielkich odchyleń wymaga lustra sferycznego o ogniskowej kilkuset centymetrów, ukształtowanego z dużą tolerancją. Aby zapewnić wystarczający kontrast pomiędzy załamanym światłem a ciemnym tłem, średnica obrazu światła punktowego musi wynosić ułamek milimetra, podczas gdy źródło światła powinno dawać kilkaset lumenów strumienia.
Do dalszych badań, Schlieren and Shadowgraph Techniques-Visualizing Phenomena in Transparent Media (Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2001) autorstwa G. S. Settlesa jest doskonałą książką jednego z wiodących autorytetów w tej dziedzinie. Podane są szczegóły techniczne, jak również tło historyczne.
Ustawienie
Ustawienie – włączając lustro sferyczne, źródło światła, blok świetlny i kamerę wideo – wymaga starannego ustawienia w przestrzeni, która ma co najmniej 7 metrów długości i 2 metry szerokości. Efekt można zobaczyć tylko przez kamerę wideo, więc potrzebny jest albo duży monitor albo system projekcyjny.
Sprzęt
(a) Punktowe źródło światła, którego zwykle używamy to mała, zasilana bateriami biała latarka LED umieszczona za 400 mikronowym otworkiem Melles Griot z welonem włożonym między nie dla równomiernego oświetlenia. Wszystkie te elementy są zamontowane razem w obudowie, która jest przymocowana do szyny optycznej.
(b) Blok świetlny, którego najczęściej używamy, to żyletka zamontowana na regulowanym słupku optycznym x-y, który jest zamontowany do szyny optycznej i zorientowany tak, że żyletka może być przesuwana zarówno pionowo, jak i wzdłużnie w kierunku lustra. Alternatywnie można użyć drutu fortepianowego o rozmiarze 7 (średnica 0.018 cala) zamontowanego w uchwycie obiektywu, ale należy pamiętać, że działa on najlepiej z otworem 500 mikronów zamiast 400 mikronów.
(c) Zwierciadło sferyczne to aluminiowe zwierciadło o średnicy 12.5″ (31.8 cm), ogniskowej 123″ (312 cm), f/10, zabezpieczone, firmy Edmund Scientific (mocowanie zwierciadła zostało nam podarowane przez zmarłego Costasa Papalioliosa). Gdy przestrzeń jest ograniczona, mamy również zwierciadło o średnicy 18″, ogniskowej 2 metry, f/4.3, które odzyskaliśmy ze spektrometru.
(d) Kamera wideo, której obecnie używamy to Blackmagic Pocket Cinema Camera, którą przystosowaliśmy do zamontowania obiektywu Canon TV-16 25-100 mm f/1.8 Zoom Lens. Obiektyw Asahi Takumar 300 mm f/6,3 ze wzmacniaczem prędkości Zhongyi Lens Turbo 2 może być również używany do ciaśniejszych ujęć. Obiektyw jest mocowany do szyny optycznej za pomocą specjalnie wykonanego uchwytu. Blok świetlny powinien być umieszczony wystarczająco blisko obiektywu, aby był całkowicie nieostry.
(e) Aby przyspieszyć procedurę zestrojenia, wykonano adapter umożliwiający zamontowanie lasera HeNe na gwincie C-mount obiektywu zmiennoogniskowego (kamera wideo musi oczywiście zostać usunięta).
(f) Najwygodniejszą podporą dla zwierciadła teleskopu jest solidny statyw kątowy używany zwykle do eksperymentów Cavendisha. Szyna optyczna Spindlera & Hoyera (na statywie) jest również ładna, solidna i w pełni regulowana.
Ustawienie
(1) Wypoziomować szynę optyczną, na której zamontowane jest punktowe źródło światła, żyletka i soczewka powiększająca/laser. Ustawić zwierciadło teleskopu w odległości dwóch ogniskowych od żyletki, zablokować podstawę zwierciadła śrubami poziomującymi i wyregulować wysokość szyny układu optycznego tak, aby wiązka lasera trafiała w zwierciadło teleskopu na środku.
(2) Obrócić zwierciadło/uchwyt zwierciadła, aby skierować wiązkę lasera z powrotem w kierunku otworka. Dokładnie wyregulować zwierciadło (za pomocą poziomych i pionowych śrub regulacyjnych), aby wiązka trafiła dokładnie w otwór. Zdjąć laser z obiektywu i zamontować kamerę wideo.
(3) Zmniejszyć ostrość obiektywu (zwykle f/22). Spowoduje to powstanie sześciokątnego wzoru winietowania (od przysłony obiektywu). Ponownie wyregulować zwierciadło teleskopu (za pomocą śrub regulacji precyzyjnej), aby ten sześciokątny wzór był wyśrodkowany w zwierciadle (ta część jest kluczowa dla uzyskania najlepszych wyników!).
(4) Podnieść blok świetlny i przesunąć jego mocowanie w przód i w tył na szynie układu optycznego, aby zgrubnie zogniskować punktowe źródło światła na żyletce; dostroić ogniskowanie za pomocą śruby regulacji wzdłużnej (na mocowaniu żyletki). Opuścić żyletkę tak, aby jej krawędź ledwie odcinała obraz punktowego źródła światła. Otworzyć obiektyw na maksymalny otwór przysłony i dostroić wysokość krawędzi żyletki. Skup obiektyw na obiekcie trzymanym przed lustrem.
Najbardziej dramatyczne efekty można zaobserwować, gdy obiekt zakłócający tor optyczny znajduje się tuż przed lustrem. Należy uważać, aby nie dotknąć lustra! Jest ono niezwykle czułe, gdy jest prawidłowo ustawione; sporadyczny przeciąg będzie wyglądał jak przelatująca chmura. Ciepło z dłoni unosi się w górę w postaci smug, podczas gdy powietrze schłodzone przez szklankę lodowatej wody szybko opada. Rozgrzana lutownica wygląda jakby się paliła. Sześciofluorek siarki wydaje się być cieczą wylewającą się z pojemnika.
Mimo, że jest to trochę kłopotliwe, demonstracja jest bardzo satysfakcjonująca dzięki oszałamiająco pięknym efektom geometrycznym i fizycznym.