Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki UNIWERSYTET GDAŃSKI

Podobne dokumenty
Pomiar drogi koherencji wybranych źródeł światła

Wyznaczanie rozmiarów szczelin i przeszkód za pomocą światła laserowego

Laboratorium techniki laserowej. Ćwiczenie 3. Pomiar drgao przy pomocy interferometru Michelsona

BADANIE INTERFERENCJI MIKROFAL PRZY UŻYCIU INTERFEROMETRU MICHELSONA

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE

BADANIE INTERFEROMETRU YOUNGA

MGR 10. Ćw. 1. Badanie polaryzacji światła 2. Wyznaczanie długości fal świetlnych 3. Pokaz zmiany długości fali świetlnej przy użyciu lasera.

Laboratorium Optyki Falowej

Dr Piotr Sitarek. Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska

WYZNACZANIE OGNISKOWYCH SOCZEWEK

DOPPLEROWSKA ANEMOMETRIA LASEROWA (L D A)

Politechnika Warszawska Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Zakład Optoelektroniki

Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki UNIWERSYTET GDAŃSKI

Interferencja i dyfrakcja

Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki UNIWERSYTET GDAŃSKI

Prawa optyki geometrycznej

Interferencja i dyfrakcja

Ćwiczenie: "Zagadnienia optyki"

Temat: Pomiar współczynnika załamania światła w gazie za pomocą interferometru Michelsona

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Kaliszu

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Kaliszu

WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ SIATKI DYFRAKCYJNEJ

Pomiar ogniskowych soczewek metodą Bessela

ZADANIE 111 DOŚWIADCZENIE YOUNGA Z UŻYCIEM MIKROFAL

Pomiar długości fali świetlnej i stałej siatki dyfrakcyjnej.

WYZNACZANIE PROMIENIA KRZYWIZNY SOCZEWKI I DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ PIERŚCIENI NEWTONA

Aby nie uszkodzić głowicy dźwiękowej, nie wolno stosować amplitudy większej niż 2000 mv.

Stanowisko do badania zjawiska tłumienia światła w ośrodkach materialnych

POMIARY OPTYCZNE 1. Wykład 1. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Interferometr Macha-Zehndera. Zapis sinusoidalnej siatki dyfrakcyjnej i pomiar jej okresu przestrzennego.

Ćwiczenie 12 (44) Wyznaczanie długości fali świetlnej przy pomocy siatki dyfrakcyjnej

Badanie zjawisk optycznych przy użyciu zestawu Laser Kit

Fizyka elektryczność i magnetyzm

Wyznaczanie współczynnika załamania światła

BADANIE I ACHROMATYZACJA PRĄŻKÓW INTERFERENCYJNYCH TWORZONYCH ZA POMOCĄ ZWIERCIADŁA LLOYDA

OPTYKA FALOWA I (FTP2009L) Ćwiczenie 2. Dyfrakcja światła na szczelinach.

Laboratorium Informatyki Optycznej ĆWICZENIE 2. Koherentne korelatory optyczne i hologram Fouriera

Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki UNIWERSYTET GDAŃSKI

Badanie wzmacniacza niskiej częstotliwości

Efekt fotoelektryczny

OPTYKA. Leszek Błaszkieiwcz

Szczegółowy rozkład materiału z fizyki dla klasy III gimnazjum zgodny z nową podstawą programową.

Ć W I C Z E N I E N R O-6

WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ SIATKI DYFRAKCYJNEJ

Wyznaczenie długości fali świetlnej metodą pierścieni Newtona

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Plan wynikowy (propozycja)

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego zadania z fizyki, wzory fizyczne, fizyka matura

Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii. Ćwiczenie 3. Częstotliwości przestrzenne struktur okresowych

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 53: Soczewki

Wykład XIV. wiatła. Younga. Younga. Doświadczenie. Younga

1 Źródła i detektory. I. Badanie charakterystyki spektralnej nietermicznych źródeł promieniowania elektromagnetycznego

ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z KONSTRUKCJI METALOWCH. Ć w i c z e n i e H. Interferometria plamkowa w zastosowaniu do pomiaru przemieszczeń

Podstawy fizyki wykład 8

Natura światła. W XVII wieku ścierały się dwa, poglądy na temat natury światła. Isaac Newton

DOŚWIADCZENIE MILLIKANA

Fala jest zaburzeniem, rozchodzącym się w ośrodku, przy czym żadna część ośrodka nie wykonuje zbyt dużego ruchu

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE. Ćwiczenie nr 3 Temat: Wyznaczenie ogniskowej soczewek za pomocą ławy optycznej.

Wyznaczanie długości fali świetlnej za pomocą spektrometru siatkowego

LABORATORIUM Z FIZYKI Ć W I C Z E N I E N R 2 ULTRADZWIĘKOWE FALE STOJACE - WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FAL

Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki UNIWERSYTET GDAŃSKI

18 K A T E D R A F I ZYKI STOSOWAN E J

WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ SIATKI DYFRAKCYJNEJ

Ćwiczenie O3-A3 BADANIE DYFRAKCJI NA SZCZELINIE I SIAT- CE DYFRAKCYJNEJ Wstęp teoretyczny

Wyznaczanie stosunku e/m elektronu

Wykład 17: Optyka falowa cz.1.

12.Opowiedz o doświadczeniach, które sam(sama) wykonywałeś(aś) w domu. Takie pytanie jak powyższe powinno się znaleźć w każdym zestawie.

Wyznaczanie współczynnika załamania światła za pomocą mikroskopu i pryzmatu

Człowiek najlepsza inwestycja. U1. Wyznaczenie długości fali świetlnej przy pomocy siatki dyfrakcyjnej.

Wyznaczanie zależności współczynnika załamania światła od długości fali światła

Zagadnienia: równanie soczewki, ogniskowa soczewki, powiększenie, geometryczna konstrukcja obrazu, działanie prostych przyrządów optycznych.

Ć W I C Z E N I E N R O-7

Ćwiczenie 53. Soczewki

WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA ZAŁAMANIA ŚWIATŁA METODĄ SZPILEK I ZA POMOCĄ MIKROSKOPU

LABORATORIUM OPTYKI GEOMETRYCZNEJ

Optyka geometryczna MICHAŁ MARZANTOWICZ

Laboratorium techniki laserowej Ćwiczenie 2. Badanie profilu wiązki laserowej

Metody Optyczne w Technice. Wykład 5 Interferometria laserowa

Interferometr Michelsona

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE

Piotr Targowski i Bernard Ziętek WYZNACZANIE MACIERZY [ABCD] UKŁADU OPTYCZNEGO

Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki UNIWERSYTET GDAŃSKI

13 K A T E D R A F I ZYKI S T O S O W AN E J

Badanie efektu Dopplera metodą fali ultradźwiękowej

Optyka geometryczna. Podręcznik zeszyt ćwiczeń dla uczniów

Pomiar indukcji pola magnetycznego w szczelinie elektromagnesu

Doświadczenie nr 6 Pomiar energii promieniowania gamma metodą absorpcji elektronów komptonowskich.

IR II. 12. Oznaczanie chloroformu w tetrachloroetylenie metodą spektrofotometrii w podczerwieni

Optyka. Optyka geometryczna Optyka falowa (fizyczna) Interferencja i dyfrakcja Koherencja światła Optyka nieliniowa

Skręcenie płaszczyzny polaryzacji światła w cieczach (PF13)

SCENARIUSZ LEKCJI Z WYKORZYSTANIEM TIK

Ćwiczenie 42 WYZNACZANIE OGNISKOWEJ SOCZEWKI CIENKIEJ. Wprowadzenie teoretyczne.

OPTYKA FALOWA. W zjawiskach takich jak interferencja, dyfrakcja i polaryzacja światło wykazuje naturę

INSTRUKCJA. Analiza gazów analizatorami Fizycznymi. Interferometr. Opracował: dr inż. Franciszek Wolańczyk

Optyka. Wykład XI Krzysztof Golec-Biernat. Równania zwierciadeł i soczewek. Uniwersytet Rzeszowski, 3 stycznia 2018

I PRACOWNIA FIZYCZNA, UMK TORUŃ

Doświadczalne wyznaczanie ogniskowej cienkiej soczewki skupiającej

Wyznaczanie sił działających na przewodnik z prądem w polu magnetycznym

Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki UNIWERSYTET GDAŃSKI

Transkrypt:

Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki UNIWERSYTET GDAŃSKI

I. Zagadnienia do opracowania. 1. Dopplerowska anemometria laserowa LDA (model dopplerowski, model prążkowy): a) zasada LDA; b) jedno i wielokanałowe systemy LDA; c) obszary zastosowań LDA, zalety i wady. 2. Fale elektromagnetyczne i ich opis. 3. Zjawiska związane z falową naturą światła: a) dyfrakcja; b) interferencja; c) dudnienia; d) prążki moiré; e) efekt Dopplera. 4. Rozpraszanie światła przez cząstki (Mie scattering). 5. Mechanika płynów: a) przepływ laminarny, turbulentny; b) liczba Reynoldsa. 6. Przetwarzanie i analiza sygnałów: a) analiza widmowa sygnałów: transformata Fouriera; dyskretna transformata Fouriera; widmowa gęstość mocy; szybka transformata Fouriera (FFT). b) przetwarzanie analogowo-cyfrowe: próbkowanie; twierdzenie Shanona Kotielnikowa; aliasing (maskowanie); filtry górnoprzepustowe i dolnoprzepustowe; kondycjonowanie sygnału. 7. Bieg promieni przez układy zwierciadeł i soczewek. 8. Budowa i zasada działania lasera He-Ne. Instytut Fizyki Doświadczalnej 1.

II. Zadania doświadczalne. 1. Zapoznać się z układem pomiarowym przedstawionym na Zdjęciu 1. Zdjęcie 1. Stanowisko pomiarowe do analizy wiązki świetlnej w laserowej anemometrii dopplerowskiej: 1 płyta główna (podstawa); 2 laser He Ne; 3 zasilacz wraz z kontrolerem do lasera; 4 wzmacniacz fotodetektora; 5 interfejs Cobra 3; 6 zwierciadła płaskie; 7 dzielnik wiązki światła; 8 soczewki; 9 stolik z kuwetą pomiarową; 10 fotodetektor; 11 przesłona irysowa; 12 butla (1000 ml). 2. Włączyć zasilanie lasera helowo-neonowego oraz interfejs Cobra 3 ( 3 i 5 na Zdjęciu 1). 3. Uruchomić program Measure, wybrać z menu Miernik-Cobra 3 Analiza częstotliwości. 4. Zestawić układ pomiarowy według opisu w części I Dodatku A. 5. Uzyskać ostry obraz interferencji wiązek światła. 6. Dokonać pomiarów wielkości przedstawionych na Rysunku 2 w części I Dodatku A. 7. Sporządzić roztwór mikrocząstek według opisu w części III Dodatku A. 8. Zestawić układ pomiarowy według opisu w części II Dodatku A. 9. Zgodnie z procedurami opisanymi w Dodatku B zarejestrować sygnał interferencyjny w funkcji czasu i dokonać jego analizy fourierowskiej. 10. Na podstawie wyników uzyskanych w części I Dodatku A oraz wzoru (9) z Dodatku C, obliczyć kąt połówkowy φ (kąt między wiązkami, Rysunek 2 w Dodatku A). 11. Obliczyć prędkość przepływu mikrocząstek korzystając ze wzoru (8) w Dodatku C. 12. Zwiększyć prędkość przepływu i powtórzyć zadania z punktów 9 11. Instytut Fizyki Doświadczalnej 2.

III. Zestaw przyrządów. 1. Płyta główna (podstawa). 2. Laser He-Ne, λ=632.8 nm, 5 mw. 3. Zasilacz i kontroler do lasera. 4. Wzmacniacz fotodetektora. 5. Interfejs Cobra 3. 6. Dwa zwierciadła płaskie. 7. Dzielnik wiązki światła 50:50. 8. Soczewki o ogniskowych : 20 mm, 50 mm, 100 mm. 9. Stolik z kuwetą pomiarową. 10. Fotodetektor. 11. Przesłona irysowa, przesłona o otworze kołowym 30µm. 12. Dwie butle 1000 ml. 13. Ekran. IV. Literatura. 1. B. Ziętek Lasery, Wydawnictwo Naukowe UMK, Toruń 2009. 2. B. Ziętek Optoelektronika, Wydawnictwo Naukowe UMK, Toruń 2004. 3. A. Dubik Zastosowania laserów, WNT, 1991. 4. F. Kaczmarek Wstęp do fizyki laserów, WNT, 1978. 5. S. Zator Laserowe przepływomierze dopplerowskie, Politechnika Opolska, 2007. 6. J. Izydorczyk, G. Plonka, G.Tyma Teoria Sygnałów. Wstęp, Helion. 7. J. Szabatin Podstawy teorii Sygnałów, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 2000. 8. J.M. Wojciechowski Sygnały i systemy, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 2008. 9. F.C. Crawford Fale, PWN, Warszawa 1975. 10. B. Jaworski, A. Dietłaf Kurs fizyki, Tom 3, PWN, Warszawa 1971. 11. H. Szydłowski Pracownia fizyczna, PWN, Warszawa 1980. 12. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker Podstawy fizyki, Tom 2, PWN, 2005. 13. R. Gryboś Podstawy mechaniki płynów, Część 2, PWN, 1998. 14. J. Bukowski Kurs mechaniki płynów, PWN, 1980. 15. J. W. Elsner Turbulencja przepływów, PWN, 1987. 16. Z. Kosma Podstawy mechaniki płynów, Wydawnictwo Politechnika Radomska, 2007. 17. Strony internetowe, np.: Dantec Dynamics firma zajmująca się kompleksowymi rozwiązaniami w zakresie techniki pomiarów przepływów. 18. L.E. Drain The Laser Doppler Technique, John Wiley and Sons, 1980. Instytut Fizyki Doświadczalnej 3.

19. F. Durst, M. Zare Laser Doppler Measurements in Two-Phase Flows, LDA- Symposium,Copenhagen, 1975, p. 403-429. 20. Y. Yeh, H.Z. Cummings Localized Fluid Flow Measurements with an He-Ne Laser Spectrometer, Appl. Phys. Lett. 4, 176, 1964. 21. J. F. Douglas Fluid Mechanics, Harlow, Longman, 1996. 22. F. Durst, A. Melling, J. Whitelaw Principles and Practices of Laser Doppler Anemometry, Academic Press, 1981. 23. P.W. Milonni, J.H. Eberly Lasers, John Wiley and Sons, 1988. 24. G.F. Lothion Optics and its Uses, VNR, 1975. 25. M. Tadeusiewicz Signals and Systems, Technical University of Łódź, 2004. 26. A. Reimann Physics, Part 1 & 2, Barnes and Noble, 1971. 27. Sears and Zemansky s University Physics with Modern Physics, Pearson Addison - Wesley, 2008. Instytut Fizyki Doświadczalnej 4.

Dodatek A Czynności wstępne I. Uzyskanie interferencji wiązek światła. a) Posługując się Zdjęciem 2 i schematem na Rysunku 3 ustawić elementy układu na płycie głównej na podanych poniżej pozycjach pamiętając, że współrzędne są pomocnicze i mogą ulec małym zmianom (według siatki naniesionej na płycie).współrzędne poszczególnych elementów układu zostały podane w nawiasach kwadratowych. Zwierciadło M1 = [1,8] Dzielnik wiązki światła BS = [1,2.5] Zwierciadło M2 = [1,1.5] Soczewka L1 o ogniskowej f=+100 mm =[2,2] Ekran S = [11,2]. Odległość pomiędzy dzielnikiem wiązki BS a zwierciadłem M2 nie powinna przekroczyć 3 cm. Dzielnik wiązki światła BS powinien być ustawiony metalizowaną stroną w kierunku zwierciadła M1. Rekomendowana wysokość wiązki nad płytą główną to 13 cm. Równoległe wiązki z dzielnika wiązki BS oraz zwierciadła M2 muszą padać symetrycznie względem środka soczewki L1. Na ekranie S pojawią się dwie czerwone plamki. Przesłonę o otworze kołowym 30 µm PK ustawić na pozycji [4,2] w punkcie przecinania się wiązek (10 cm od soczewki L1). Regulując położeniem zwierciadła M2, przesłony PK, ewentualnie dodatkowo dzielnika wiązki BS oraz soczewki L1 doprowadzić do interferencji dwóch wiązek. Na obrazie interferencyjnym widocznym na ekranie S plamka świetlna po odbiciu od zwierciadła M2 powinna pojawić się na lewo, natomiast promień pochodzący od dzielnika wiązki BS na prawo od osi ekranu (Zdjęcie 2b). Instytut Fizyki Doświadczalnej 5.

(a) (b) Zdjęcie 2. a) Geometria układu umożliwiająca uzyskanie interferencji wiązek świetlnych; b) widok obrazu interferencyjnego na ekranie przy prawidłowym ustawieniu optyki. Korekta wysokości i równoległości obu wiązek pochodzących od zwierciadła M2 i dzielnika wiązki BS ułatwi uzyskanie obrazu interferencyjnego. W tym celu należy ustawić soczewkę L2 o ogniskowej f = +20 mm na pozycji [4.5,2], obrócić ekran o 45 0 (zgodnie ze schematem na Rys.1) i regulując śrubami oprawki zwierciadła M2 sprawdzić czy wiązki biegną na tej samej wysokości. Następnie usunąć soczewkę L2 z osi optycznej i uzyskać obraz interferencyjny (w trakcie tej operacji przesłona PK pozostaje na pozycji [4,2], ale w razie potrzeby można ją na chwilę usunąć z drogi optycznej i dokonać powyższej korekty). Rysunek 1. Schemat ustawień mających na celu sprawdzenia wysokości oraz równoległości biegnących wiązek (Phywe): L1, L2-soczewki o ogniskowych f = +100 mm oraz f = +20 mm; S ekran. Instytut Fizyki Doświadczalnej 6.

b) Po uzyskaniu wyraźnego obrazu interferencyjnego na ekranie, usunąć z drogi optycznej przesłonę PK i dokonać pomiaru odległości l oraz D (Rysunek 2). Rysunek 2. Schemat ustawień do wyznaczenia kąta ϕ: l - odległości od soczewki L1 do płaszczyzny obserwacji; D - odległość pomiędzy dwiema plamkami świetlnymi na płaszczyźnie obserwacyjnej (Phywe). II. Ustawienie aparatury w celu wyznaczenia prędkości przepływu mikrocząstek. Usunąć ekran S z płyty głównej. W miejsce przesłony PK wstawić stolik z kuwetą T=[4,2] dbając o to, aby wiązki światła przecinały się w jej środku. Kuweta jest krucha; instalować ostrożnie. Z pomocą Rysunku 3 oraz Zdjęcia 3 dokonać właściwych ustawień kolejnych elementów, których współrzędne podane są w nawiasach kwadratowych: Przesłona irysowa PI =[5,2] (ma ograniczyć obszar obserwacji do pola z pierścieniami moiré); Soczewka L2 o ogniskowej f=+50 mm = [7,2]; Fotodetektor PD = [8,2]. Instytut Fizyki Doświadczalnej 7.

Rysunek 3. Schemat układu doświadczalnego do wyznaczania prędkości przepływu mikrocząstek (Phywe). Zdjęcie 3. Geometria układu umożliwiająca wyznaczenie chwilowej prędkości przepływu. Instytut Fizyki Doświadczalnej 8.

III. Przygotowanie roztworu. W tym celu dodać jedną kroplę zawiesiny badanych mikrocząstek (silvercoat hollow glass spheres - meandiameter 10 µm in water) do 10 ml wody destylowanej, a następnie wymieszać 1-2 ml roztworu wyjściowego z 500 ml wody destylowanej. Konieczne jest dodanie kilku kropli formaldehydu do sporządzonego roztworu - powstrzymuje rozwój bakterii. Butlę wypełnioną przygotowanym roztworem zamocować w górnej części statywu. Pustą butlę o tej samej pojemności zamontować na drugim pręcie statywu poniżej butli z roztworem (Zdjęcie 1). Regulując zaciskami na gumowych wężach ustalić bardzo wolny przepływ cieczy. Instytut Fizyki Doświadczalnej 9.

Dodatek B Rejestracja sygnału Z menu programu wybrać Rejestracja pomiaru. Ustalić napięcie i częstotliwość pomiaru. Zacząć od małych wartości (np.: U = 0.3 V; f = 10 khz). Zaznaczyć opcje Bez Wyzwalacza oraz Pomiar ciągły. Wcisnąć przycisk Pomiar. Po uzyskaniu dobrego sygnału wybierz Zachowaj. Rysunek 4. Wygląd uruchomionego programu do pomiaru prędkości przepływu. Rysunek 5. Widmo sygnału interferencyjnego w funkcji czasu. Instytut Fizyki Doświadczalnej 10.

Dokonać analizy fourierowskiej widma i odczytać wartość szczytową częstotliwości. Narzędzie Pokaż ekstrema pozwoli na dokładny odczyt wartość częstotliwości. Rysunek 6. Transformata Fouriera zmierzonego sygnału interferencyjnego. Po upływie 30 minut należy zamieszać używany roztwór z powodu sedymentacji cząstek rozpraszających. W trakcie pomiaru nie opierać się o stół, na którym stoi układ. W przypadku słabego sygnału można dokonać analizy fourierowskiej tylko interesującego fragmentu widma. W tym celu z paska narzędzi wybrać Zmierz, zaznaczyć żądany zakres a następnie wybrać Analiza Fouriera. Instytut Fizyki Doświadczalnej 11.

a b Rysunek 7. a) Przykład słabego sygnału interferencyjnego oraz możliwości jego analizy; b) Wartość szczytowa częstotliwości uzyskana przez transformatę Fouriera powyższego sygnału. W celu polepszenia sygnału można próbować delikatnie regulować położeniem soczewki L2 o ogniskowej f = +50 mm oraz fotodetektora PD. Przy małych prędkościach przepływu możliwe jest przesunięcie maksimum częstotliwości mierzonego sygnału zbyt blisko zerowej częstotliwości. W takim wypadku może wystąpić problem z odpowiednim wyznaczeniem wartości mierzonego sygnału w domenie częstotliwościowej (należy dokonać pomiarów dla różnych wyjść w urządzeniu kontrolnym fotodetektora Zdjęcie 1, element 4). Instytut Fizyki Doświadczalnej 12.

Dodatek C Anemometria laserowa podstawy Anemometria laserowa pozwala na pomiar prędkości poruszania się cząstek (elementów) rozpraszających światło [1]. Opis laserowej anemometrii opiera się na dwóch zjawiskach fizycznych, które dają takie same relacje końcowe. Są to zjawisko Dopplera (A) i interferencji (B). (A) Zjawisko Dopplera polega na zmianie częstotliwości fali w wyniku względnego ruchu źródła fali i obserwatora. Do omówienia zasady LDA zostały wykorzystane dwa przypadki efektu Dopplera (Rysunek 8). Rysunek 8. Dwa przypadki omawianego efektu Dopplera. a) W pierwszym przypadku obecne są nieruchome źródło światła i poruszający się odbiornik, gdzie prędkość odbiornika jest U. Częstotliwość światła przy odbiorniku f R jest dana jako: f R = f S 1 U l c (1) gdzie: c - prędkość światła w powietrzu,f s - częstotliwości przy źródle światła. Instytut Fizyki Doświadczalnej 13.

b) Drugi przypadek przedstawia ruchome źródło światła i nieruchomy odbiornik. W ten sposób, odbierana częstotliwość światła jest podana następująco: f R = f S 1 U k c (2) W LDA użyto lasera jako nieruchomego źródła światła i mikronowych przepływających cząstek rozpraszających światło, które następnie jest rejestrowane przez fotodiodę. Zastosowanie dwóch powyższych równań (1-2) daje częstotliwość światła rozproszonego przez poruszające się cząstki odbierane przez nieruchomy odbiornik (patrz Rysunek 9). 1 U l c f R = f S 1 U k c (3) Rysunek 9.Światło rozpraszane na poruszającej się cząstce. Anemometr dwuwiązkowy W konsekwencji zjawiska Dopplera następuje małe przesunięcie dopplerowskie częstotliwości światła na skutek ruchu mikrocząstek (jak wynika z równania (3)) w porównaniu do częstotliwości światła, dlatego bezpośredni pomiar częstotliwości (np. za pomocą interferometru Fabry-Perot a) może być wykonany z niewystarczającą dokładnością. Istnieją różne metody unikania bezpośredniego pomiaru częstotliwości optycznej. Wskutek kwadratowego charakteru linii fotodetektora, możliwe jest wymieszanie dwóch częstotliwości światła i rejestracja częstotliwość dudnień dwóch sygnałów. Na przykład w metodzie samo-dudnień, przesunięty o pewną częstotliwość sygnał miesza się sam ze sobą (jako częstotliwość pomiarową otrzymuje się podwójną częstotliwość różnicy). Instytut Fizyki Doświadczalnej 14.

W Ćwiczeniu 11 zastosowano konfigurację dwuwiązkową -dwie przecinające się wiązki z tego samego źródła światła. Wiązka światła lasera jest rozszczepiana na dwie wiązki częściowe posiadające takie samo natężenie. Następnie doprowadza się do ich skupienia i przecięcia w pewnej objętości pomiarowej (mcv) (kuweta). W trakcie przepływu zawiesina mikrocząstek przecina obszar nakładania się wiązek. Przesunięcie Dopplera rozproszonego na cząstkach światła jest różne dla obu wiązek częściowych (różne wektory l, ale te same wektory k ). Ta różnica jest ogólnie znana jako częstotliwość dudnień. Częstotliwość rozproszonego światła dla każdej z dwóch wiązek wynosi kolejno: f R1 = f S 1 U l 1 c 1 U k 1 c f R2 = f S 1 U l 2 c 1 U k 2 c (4) (5) Różnica częstotliwości (nazwana tu częstotliwością Dopplera ) jest podana jako: f D = f R1 f R2 = f S U l 2 l 1 c (6) Różnica częstotliwości jest znacząco niższa oraz posiada węższą szerokość pasma niż częstotliwość źródła światła. W ten sposób, możliwe jest jej dokładne wykrycie i elektroniczny pomiar. Wykorzystując zależności na Rysunku 10 i związek c = f S λ ( λ - długość fali światła lasera), częstotliwość Dopplera może być wyrażona w sposób następujący: f D = f R1 f R2 = f S U l 2 l 1 c = U 2 sin φ λ (7) gdzie: U prostopadła składowa prędkości cząstki do dwusiecznej kąta zawartego między wiązkami. Instytut Fizyki Doświadczalnej 15.

Rysunek 10. Różnica wektorów jednostkowych (Phywe). Znając częstotliwość Dopplera można obliczyć prędkość cząstki. Równanie (7) pokazuje, że prędkość cząstki może zostać wyznaczona poprzez pomiar częstotliwości Dopplera, jeśli cząstka przechodzi przez objętość pomiarową (mcv). U = f D λ 2 sin φ (8) W trakcie eksperymentu można wyznaczyć również kąt połówkowy ϕ. Służą temu pomiar odległości od soczewki L1 do płaszczyzny obserwacji (l ) i odległość dwóch plamek świetlnych na płaszczyźnie obserwacyjnej (D) (Rysunek 2 w Dodatku A). Kąt ϕ otrzymuje się w następujący sposób: tgφ = D 2l φ = arctan D 2l (9) gdzie: l = l f( f -odległość ogniskowa soczewki L1). (B) Zasada pomiarowa LDA może wyjaśniona również dzięki użyciu prążków moiré (lub modelu siatkowego) (Rysunek 11a, b). W tym modelu dwie wiązki lasera przecinają się i tworzą równoległe prążki interferencji w objętości (mcv). Małe poruszające się cząstki rozpraszają przemiennie konstruktywne i destruktywne prążki interferencji w objętości pomiarowej. W wyniku tego można obserwować rozbłyski z częstością proporcjonalną do prędkości (składnik prostopadły do siatki) i odwrotnie proporcjonalną do odległości między prążkami. Instytut Fizyki Doświadczalnej 16.

(a) (b) Rysunek 11. a) Model prążkowy LDA (Phywe); b) Odległość pomiędzy prążkami interferencyjnymi. Częstotliwość zmian natężenia jest podana przez: f D = U Δx (10) Odległość x pomiędzy prążkami interferencyjnymi wynosi: Δx = λ 2 sin φ (11) Ostatecznie z równań (10) i (11) otrzymuje się równanie (7), z którego można wyznaczyć prędkość przepływu. Podsumowując - pomiar prędkości sprowadza się do pomiaru zmian natężenia promieniowania w czasie. W przypadku (A) jest to częstotliwość dudnień zaś w (B) częstotliwość przechodzenia cząstek przez maksima interferencyjne w obszarze nakładania się wiązek [1]. W rozwiązaniach eksperymentalnych częstotliwość można wyznaczyć stosując procedurę szybkiej transformaty Fouriera (FFT) ( pozycja literaturowa [1]). Instytut Fizyki Doświadczalnej 17.