表面波是沿物体(液体或固体)表面传播的一种弹性波。用光学方法来研究表面波,来探测物质表面和物质内部的物理特性,一直是人们研究的问题之一。但直到20世纪60年代,由于激光技术的迅速发展,表面波的光学探测方法才取得了较快的发展。但大多研究是针对固体表面波。对于液体表面波而言,由于气液界面上物理特性的复杂性,所进行的研究相对较少。直到1979年,G Weisbuck等人首次提出了利用液体表面波来实现光衍射,并以此建立了表面张力的光学测量方法。如何快速、无损的获取液体表面或内部的物理特性,在我们日常生产实践中占有很重要的地位,例如在石油开采、染料化工方面都有很重要的应用。 光学方法是研究物质性质的重要手段,通过研究光在液体表面的衍射、反射、折射等行为,可以测量液体的某些参数。该方法广泛应用于流体力学、海洋光学等领域。运用光学手段对液体表面所进行的研究,一般分为两个方面:一方面研究的是动态液体表面,即利用液体表面波对光的衍射效应,根据衍射条纹分布与液体表面波的关系,研究液体表面张力、表面相等物理特性;另一方面研究静态弯曲液体表面,即利用静态弯曲液面对光的反射和透射,根据反射光和透射光的光强分布,研究润湿效应、表面张力等表面性质。 本文就是利用上述两种方法对液体表面进行研究,在我们的实验研究中,得到了以下新的实验现象和结论: 一、在低频液体表面波光衍射的实验研究中,不仅得到了清晰、稳定的衍射条纹,并且发现衍射条纹的分布具有不对称性。实验中,表面波的频率从一百多赫兹到二百多赫兹,实验效果明显,且重复性很好。当液体表面波对光进行衍射时,可以将表面波看作是一相位型光栅。对此进行分析,理论上发现衍射条纹的不对称性与表面波波长与入射光波波长的比值有关。比值越大,不对称性越明显。 二、当固体棒浸入液体时,由于液体与固体之间的润湿效应,固体棒附近的液体表面会出现局域弯曲。在对弯曲液面的实验研究中发现:当强度均匀分布的平行光束垂直照射到局域弯曲的液面上时,在反射方向上会出现中心为一暗场的光场分布。改变入射光束直径大小,暗场也随之发生变化。光束直径越小,暗场直径越大。且在暗场边缘上,光强分布是不均匀的,有衍射条纹出现。本文就这种弯曲液面的临界反射现象,利用几何光学理论进行了分析研究,得到了弯曲液面高度随距离变化的空间分布关系,与理论分析较为吻合。