水的光學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究

張曉峻，董婉佳，孫 露，孫晶華

(1.哈爾濱工程大學(xué) 理學(xué)部，黑龍江 哈爾濱 150001; 2.北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院, 北京 100876)

1 水的吸收光譜特性

各種物質(zhì)有其特殊的吸收光譜特性。水的吸收光譜特性與水中所含的物質(zhì)成分密切相關(guān)[1-3]。由于水分子在紫外和紅外光譜帶上有強(qiáng)烈的共振，因而對這部分光表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收作用。紫外的共振是由于電子的激發(fā)而引起的，紅外的共振起因于分子的激發(fā)[4-6]。水分子在可見光譜帶范圍產(chǎn)生的共振較弱，因此水在可見光范圍內(nèi)的吸收比紫外和紅外小得多[7-9]。

1.1 光譜測量裝置

光譜測量裝置如圖1所示。光譜儀為Maya2000pro微型光纖光譜儀,光源為DH2000-BAL 氘鹵鎢燈平衡型光源。

圖1 光譜測量裝置

1.2 光譜測量結(jié)果

測得的清水(自來水)和海水的透射光譜見圖2。由測得的透射光譜可以看出:在可見光范圍內(nèi)，清水比海水的透射光譜范圍寬，且透射率高；海水在波長400～500 nm范圍內(nèi)透射率最高，在波長500～600 nm范圍內(nèi)透射率居其次，在波長600～800 nm范圍內(nèi)透射率最低。

圖2 海水與清水透過率光譜比較

2 水的折射率

本測量的折射率是指該介質(zhì)對589.3 nm的鈉黃光所具有的折射率。

2.1 測量裝置

折射率測量裝置如圖3所示，其中有2WA-J阿貝折射儀，ZKY-PID溫控實(shí)驗(yàn)儀。

圖3 折射率測量裝置

2.2 水的折射率測量結(jié)果

表1 不同溫度下純凈水的折射率數(shù)據(jù)

表2 不同溫度下的清水折射率數(shù)據(jù)

表3 不同溫度下海水的折射率數(shù)據(jù)

圖4 純凈水、清水和海水折射率隨溫度變化曲線對比圖

由實(shí)驗(yàn)曲線可以看出，純凈水、清水、海水的折射率都隨溫度的增加而減小，且呈線性變化。經(jīng)計算，3條直線的斜率近似相等，均為1.55×10-4℃-1。在室溫(19 ℃)時，海水的折射率為1.339 1，純凈水和清水的折射率分別為1.333 1和1.333 3。

3 水的衰減特性

3.1 衰減系數(shù)定義

平面光波在吸收媒質(zhì)中傳播時，經(jīng)過一厚度為dl的平行薄層后，光強(qiáng)從I變到I+dI，如圖5所示，根據(jù)Lambert-Beer定律[10-11]，dI/I與吸收層的厚度dl成正比，即：

(1)

式中，α為衰減系數(shù)，由媒質(zhì)的特性決定。對于厚度為l的介質(zhì)層,有

lnI=-αl+C

(2)

式中，C為一積分常數(shù)。

如當(dāng)l=0時，I=I0，則C=lnI0，代入(2)式有

I=I0e-αl

(3)

式(3)就是朗伯-比爾定律的數(shù)學(xué)表示式。

由(3)式可得

(4)

式中，T為透過率。

圖5 平面光波在吸收媒質(zhì)中傳播示意

3.2 衰減系數(shù)測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)儀器僅在圖1中增加1片透射波長為532 nm的濾光片，其他相同。比色皿的長度為1 cm，測得的海水、純水和清水對于波長λ=532 nm的透過率平均值分別為99.47%、99.62%和99.62%，衰減系數(shù)平均值分別為0.531 4m-1、0.380 7 m-1和0.380 7 m-1。

4 結(jié)論

由測得的透射光譜可以看出，在可見光范圍內(nèi)，清水的透射光譜比海水的寬，透射率高。海水在400～500 nm波長范圍內(nèi)透射率最高，在500～600 nm波長范圍內(nèi)透射率次之，在600～800 nm波長范圍內(nèi)透射率最低。用阿貝折射儀測量了純凈水、清水和海水的折射率隨溫度的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，純凈水、清水、海水的折射率隨溫度的變化率都為1.55×10-4℃-1。在室溫(19 ℃)下，海水的折射率為1.339 1，清水和純凈水的折射率分別為1.333 3和1.333 1，在理論分析時可認(rèn)為三者近似相等。對波長λ=532 nm的綠光，海水的衰減系數(shù)比清水和純水的衰減系數(shù)大。

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