Optisk teknik som gör det möjligt att se små förändringar i brytningsförmågan hos luft och andra genomskinliga medier.
Vad den visar
Refraktion på grund av inhomogenitet i luft synliggörs med vår schlierenoptik med en enda spegel. Refraktionen kan orsakas av förändringar i täthet, temperatur eller tryck i luften omedelbart framför den konkava spegeln. Med en videokamera och en bildskärm kan vi se varma konvektionsströmmar som stiger från en ljuslåga eller, alternativt, kall luft som sjunker från ett glas isvatten. Strålen av varm luft från en vanlig hårtork blir dramatiskt synlig.
Flödet av andra gaser än luft kan också visualiseras med denna teknik. Till exempel är svavelhexafluoridgas sex gånger tätare än luft och kan därför synligt hällas från en flaska i ett glas som om det vore en vätska.
Den här videon av vår uppställning visar tryckantinoderna i en stående ultraljudsvåg som ljusa band:
Man kan också demonstrera ljusets diffraktion kring objekt. Genom att sänka de flesta lampor så att det finns mycket lite omgivande belysning, ses ett föremål som placeras framför spegeln som mörkt (inte överraskande), men ändå omgivet av en tunn, ljus kontur av ljus. Detta ljus, vars ursprung är den punktformiga ljuskällan, diffrakteras runt objektets kanter och in i kameran.
Hur det fungerar
En spegel med lång brännvidd används för att fokusera en punktformig ljuskälla på en tunn tråd (eller rakbladskant), som fungerar som ett ljusblock. Direkt bakom ljusblocket finns en kamera som tittar på föremål omedelbart framför spegeln i ”testområdet”. Om det sker en förändring i luftens brytningsindex i testområdet kommer bilden av punktljuskällan att avledas något. Om den avlänkas förbi ljusblockets kant kommer det extra ljuset som kommer in i kameran att visas som ljusstrimmor som kommer från det område där brytningsindexet förändrades; detta är den så kallade schliereneffekten.
Sklieren-effektens ljusstyrka är proportionell mot storleken på ändringen i brytningsindex – ju större ändringen i brytningsindex är, desto större är avböjningen av punktljusbilden, vilket resulterar i att mer ljus passerar över ljusblockets kant. I grund och botten är det förändringar i densiteten som är ansvariga för förändringar i brytningsförmågan (n – 1), där n är brytningsindexet. För luft och andra gaser finns det ett enkelt linjärt samband mellan brytningsindexet och gasdensiteten, ρ, som ges av
n – 1 = kρ
där k kallas Gladstone-Dale-koefficienten och är nästan konstant över större delen av det synliga spektrumet. Dess värde för luft är ungefär 2,3×10-4 m3/kg. Uttrycket för punktljusbildens vinkelavböjning δ av en densitetsgradient vinkelrätt mot den optiska axeln, säg dρ/dx, ges av
δ = kL dρ/dx
varvid L är störningens spännvidd i den optiska axelns riktning. Eftersom densiteten är proportionell mot trycket och omvänt proportionell mot temperaturen synliggörs på samma sätt alla förändringar i dessa egenskaper.
Om stora förändringar i en gass täthet motsvarar endast en liten förändring av brytningsindexet måste schlieren-systemet vara tillräckligt känsligt för att upptäcka avböjningar på endast några få bågsekunders vinkel. Den optiska hävstång som behövs för att göra dessa små avböjningar synliga kräver en sfärisk spegel med en brännvidd på några hundra centimeter och som är formad med hög tolerans. För att ge tillräcklig kontrast mellan det brytande ljuset och den mörka bakgrunden måste punktljusbildens diameter vara en bråkdel av en millimeter, medan ljuskällan bör kunna ge ett flödesflöde på flera hundra lumen.
För ytterligare forskning är Schlieren and Shadowgraph Techniques-Visualizing Phenomena in Transparent Media (Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2001) av G. S. Settles en utmärkt bok av en av de ledande auktoriteterna på området. Den innehåller både tekniska detaljer och historisk bakgrund.
Sätt upp det
Inställningen – inklusive sfärisk spegel, ljuskälla, ljusblock och videokamera – kräver noggrann anpassning i ett utrymme som är minst 7 meter långt och 2 meter brett. Effekten kan endast ses genom videokameran, så antingen en stor bildskärm eller ett projektionssystem behövs.
Utrustning
(a) Den punktljuskälla som vi vanligen använder är en liten batteridriven vit LED-flasklampa som placeras bakom ett 400 mikron Melles Griot pinhål med Vellum insatt mellan de två för jämn belysning. Dessa är alla monterade tillsammans i ett hölje som är fäst på en optikskena.
(b) Ljusblocket som vi oftast använder är ett rakblad som är monterat på en x-y justerbar optikstolpe, som är monterad på optikskenan och orienterad så att bladet kan förflyttas såväl vertikalt som longitudinellt i riktning mot spegeln. Alternativt kan man också använda en pianotråd i storlek 7 (0,018 tum i diameter) monterad i en linshållare, men tänk på att detta fungerar bäst med 500 mikrometer pinhole i stället för 400 mikrometer.
(c) Den sfäriska spegeln är en skyddad aluminiumspegel med en diameter på 31,8 cm, en brännvidd på 312 cm, f/10, skyddad aluminiumspegel från Edmund Scientific (spegelfästet skänktes till oss av den framlidne Costas Papaliolios). När utrymmet är begränsat har vi också en spegel med 18″ diameter, 2 meters brännvidd, f/4,3 som vi har räddat från en spektrometer.
(d) Videokameran som vi för närvarande använder är en Blackmagic Pocket Cinema Camera, som vi har anpassat för att få plats med ett Canon TV-16 25-100 mm f/1,8 zoomobjektiv. Ett Asahi Takumar 300 mm f/6,3 objektiv med en Zhongyi Lens Turbo 2 speed booster kan också användas för snävare tagningar. Objektivet fästs på optikskenan via ett specialtillverkat fäste. Ljusblocket bör placeras tillräckligt nära objektivet så att det är helt ur fokus.
(e) För att påskynda inriktningsförfarandet har en adapter tillverkats för att montera en HeNe-laser på zoomobjektivets C-fästegänga (videokameran måste naturligtvis avlägsnas).
(f) Det bekvämaste stödet för teleskopspegeln är det robusta vinkeljärnstativ som normalt används för Cavendish-experimentet. Spindler & Hoyers optikskena (på stativfästet) är också trevlig och robust och helt justerbar.
Avstämning
(1) Jämna ut den optikskena på vilken punktljuskällan, rakbladet och zoomlinsen/lasern är monterade. Placera teleskopspegeln på ett avstånd av två brännvidder från rakbladet, lås spegelhållaren på plats med utjämningsskruvarna och justera höjden på den optiska skenan så att laserstrålen träffar teleskopspegeln i mitten.
(2) Rotera spegeln/spegelhållaren för att rikta laserstrålen tillbaka mot nålhålet. Finjustera spegeln (med hjälp av de horisontella och vertikala justeringsskruvarna) så att strålen träffar nålhålet exakt med strålen. Ta bort lasern från objektivet och montera videokameran.
(3) Bländar objektivet långt ner (vanligtvis f/22). Detta ger upphov till ett sexkantigt vinjetteringsmönster (från objektivets iris). Justera teleskopspegeln på nytt (med finjusteringsskruvarna) så att detta hexagonala mönster är centrerat i spegeln (denna del är avgörande för bästa resultat!).
(4) Lyft upp ljusblocket och skjut dess fäste fram och tillbaka på den optiska skenan för att grovt fokusera den punktformade ljuskällan på bladet; finjustera fokuseringen med den longitudinella justeringsskruven (på rakbladets fäste). Sänk rakbladet så att dess kant knappt skär av punktljuskällans bild. Öppna objektivet till maximal bländare och finjustera rakbladets kanthöjd. Fokusera objektivet på vilket föremål som helst som hålls framför spegeln.
De mest dramatiska effekterna ses när det föremål som stör den optiska banan befinner sig precis framför spegeln. Se till att inte röra spegeln! Den är extremt känslig när den är korrekt inställd; ett enstaka drag kommer att se ut som ett förbipasserande moln. Värme från din hand stiger upp i vågor medan luft, som kyls av ett glas isvatten, sjunker snabbt. En upphettad lödkolv ser ut som om den brinner. Svavelhexafluoridgas verkar vara en vätska som strömmar ut ur en behållare.
Och även om det är lite jobbigt att sätta upp demonstrationen är den mycket givande med fantastiskt vackra geometriska och fysikaliska optiska effekter.