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光纤光镊与激光多普勒技术应用于流体力学量测量

作　者: 周程
导　师: 李银妹
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 光学
关键词: 流体力学光纤光镊激光多普勒粘滞系数加速度
分类号: TN249
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

激光的应用已广泛扩展到流体力学领域。在本论文中引入两种激光方法用于流体力学参量的测量,分别是光镊技术的分支——光纤光镊方法和激光多普勒方法。利用光纤光镊方法测量液体的粘滞系数,激光多普勒方法测量流场中流体速度与加速度的量。光镊是一直处于发展中的微操作微测量工具,普通光镊设备基于显微镜搭建,设备体积较大、代价较高、自由度低,使光镊在灵活应用的角度受到局限。光纤轻便、低廉、灵活,并已作为信息传递的媒介广泛应用于光通信领域,将光纤引入光镊系统,利用光纤本身代替显微物镜形成会聚光束,同时利用光纤捕获并牵引微粒运动,大大提高了操作的自由度与灵活度。另外普通单模光纤芯径约10微米,与很多生物细胞和大分子的尺度相当,使得光纤光镊仍然可以广泛应用于生命科学领域。作为传统光镊的一个有益补充,光纤光镊技术的研究和应用正越来越受到人们的关注。论文首先介绍了基于单模光纤微探针的光镊技术,综述了技术的原理、基本装置、若干关键问题以及近年来国内外研究现状。光纤光镊轻便灵活,增大了光镊捕陷范围和操作灵活度,其与微流道、微芯片、激光计量和光谱仪等设备的结合,使得光镊的应用推广到更多领域。进一步将工作具体到某一类问题上,即利用光纤光镊测量液体的粘滞系数。光纤出射光场中的微粒受到激光的作用将发生运动,通过调控光纤的出光进行局域的作用,改变微粒的运动状态,再行观测微粒的位移改变来得到此局域中流体的性质或参数,如粘滞系数。测量之余,还在液相中使用双光纤光镊生动直观地演示了激光的力学效应这一基本物理属性。论文的另一部分主要工作基于激光多普勒技术而展开,利用该技术测量了管道中液流的速度与加速度。管中流动是流体力学研究中的一个重要分支,与生活生产中的很多方面密切相关,而且它所揭示的规律对理解更为复杂条件下的流体运动也有重要的参考意义。为此我们搭建了双光束干涉平台,一束He-Ne激光在分束后再经透镜会聚,在光路中引入微流管道与样品池,处于不同水面高度的液瓶产生压强差将样品注入管道。测量液流的速度。通过流体力学公式的推导,得出液流微弱加速度的产生与表式。微流发生时,采集实验数据并对其作信号处理与时频分析,得到信号频率随时间线性变化的关系。时频曲线的斜率即反应了加速度的信息。以上两部分的实验结果表明,利用激光方法,无论是光纤光镊方法还是激光多普勒方法测量流体力学的各种参量是有效的,并且取得了较为理想的结果。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-16
  1.1 激光与流体力学  9-10
  1.2 光镊及其原理  10-13
  1.3 激光多普勒技术简介  13-14
  1.4 本文的主要内容  14-16
第二章光纤光镊的模型及其应用  16-26
  2.1 引言  16-17
  2.2 光纤光镊技术  17-22
    2.2.1 光纤光镊中粒子受力的理论  17-18
    2.2.2 光纤光镊的装置  18-20
    2.2.3 光纤光镊中的几个关键问题  20-22
  2.3 光纤光镊的若干应用  22-24
    2.3.1 传统光镊应用的延伸  22-23
    2.3.2 应用扩展  23-24
  2.4 小结  24-26
第三章光纤光镊测量流体的粘滞系数  26-36
  3.1 引言  26-27
  3.2 测量粘滞系数的普通光镊方法  27-28
  3.3 测量粘滞系数的光纤光镊方法  28-34
    3.3.1 原理及装置  28-30
    3.3.2 实验  30-33
    3.3.3 分析与讨论  33-34
  3.4 液相中双光纤光镊演示光的力学效应  34-35
  3.5 小结  35-36
第四章激光多普勒方法测量流体速度与加速度  36-48
  4.1 引言  36-37
  4.2 实验装置及原理  37-42
    4.2.1 实验装置  37
    4.2.2 LDT 测速原理  37-39
    4.2.3 加速度的产生与获得  39-41
    4.2.4 采集信号的模拟结果  41-42
  4.3 实验研究及数据分析  42-46
    4.3.1 实验  42-44
    4.3.2 速度的量  44
    4.3.3 加速度的量  44-46
   4.4 实验结果与讨论  46-47
  4.5 小结  47-48
总结与展望  48-50
参考文献  50-55
致谢  55-57
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  57

光纤光镊与激光多普勒技术应用于流体力学量测量

内容摘要

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