【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及激光和非线性教学，特别涉及一种通过水波模拟激光及非线性光学的教学装置。
技术介绍
1、激光是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后，人类的又一重大专利技术。激光的产生原理是受到泵浦光照射后，基态电子跃迁到上能级，通过受激辐射产生固定波长的激光，具有方向性好、亮度高、相干性好的特点。激光发现后，利用激光的高亮度，人们观察到倍频等非线性光学现象，诸如光参量振荡、拉曼、相位共轭等二阶和三阶非线性效应获得了广泛应用。
2、激光的产生涉及到能级跃迁、粒子数反转等微观机制，激光的传输也不同于普通光源，表现出明显的干涉、衍射等现象。光学非线性过程涉及到材料中电子的非简谐振动，并且需要激光原理的基础知识作为支撑，演示过程也需要较为复杂的装置，因此教学过程主要以理论推导为主，往往在从事多年的激光非线性实验后才能理解其中的原理。
3、目前的激光和非线性教学器材非常稀少，主要因为：1激光器件价格昂贵。能够用于教学激光原理的教具主要是固体激光器，容易拆解、组合和调节，提供给学生动手进行实验的条件。但是固体激光的元件不但价格昂贵而且易于损坏，包括半导体激光泵浦源、激光晶体、激光腔镜以及透镜等。2激光现象不易观察。直接产生激光的固体激光器一般在近红外波段，肉眼不能够直接观察，需要通过显色卡、ccd等器件成像；激光的干涉、衍射现象需要器件的孔隙与激光波长相近，非常微小，实验过程不直观；激光的能级跃迁和非线性频率转换过程都涉及到电子的跃迁和振动，只能通过实验现象想象。3激光和非线性过程具有危险性。激光的强度较高，人眼不能够直
4、目前通过模拟的手段间接演示激光及非线性过程的方法，主要集中在软件模拟领域，例如通过zemax,code v、comsol等专业软件进行模拟。为了提高软件模拟的易用性，虚拟仿真实验教学课程共享平台建立了激光原理与技术、光纤激光相干合束虚拟仿真实验等专业课程。通过这些虚拟仿真实验，能够让同学在计算机上操作实验仪器，开展部分激光原理实验。但是，目前还没有非线性光学的虚拟仿真实验课程。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的问题是：提供一种通过水波模拟激光及非线性光学的教学装置，通过类比激光与水波的相似性，演示激光的传输、干涉、能级吸收、非线性振子的激发等激光和非线性光学现象。
2、本专利技术采用如下技术方案：一种通过水波模拟激光及非线性光学的教学装置，包括：长方体水槽和覆盖水槽平面的平行光照明光源及摄像头；
3、长方体水槽的一边放置有振动波源，振动波源通过振动马达产生振动频率为f0的简谐振动，带动水槽内水面产生频率为f0的水波，振动波源连接有控制器，通过控制器调整振动频率f0，产生不同频率和波长的水波；
4、长方体水槽底部具有规律图案，平行光照明光源发射近平行光的照明场，当水波产生后，水波在槽底产生使水波产生明暗条纹，通过摄像头拍摄图案的条纹扭曲，计算水波的形状，测量水波的波长、速度参数；
5、长方体水槽的四边具有水波吸收层，水波吸收层为密铺的、具有重复凹陷的结构，用于对水波进行耗散，减小水波边界的反射；
6、长方体水槽内部通过放置连接弹簧的小球与水波相互作用模拟激光的产生，通过双耦合谐振子模拟激光晶体中的两能级结构；通过单振子模拟激光的非线性原理。
7、进一步地，振动波源为点状振动器或平面状振动器，用以产生点状扩散水波或平面水波；
8、点状振动器发射球面波，振动方向为上下或者水平振动，模拟激光的惠更斯球面波现象；
9、平面波源发射平面波，振动方向为平面的法线方向，其波前平整均匀，用于模拟准直激光光束的平面波前。
10、进一步地，平行光照明光源和摄像头设置于水槽的上方、下方或侧面；平行光照明光源产生平行光，通过透镜进行准直，平行光光源的长度与水槽的长度相同，使水波产生明暗条纹，被摄像头拍摄。
11、进一步地，长方体水槽底部的图案具有规律性，且具有明显可区分的形状和颜色，包括：黑白间隔的棋盘格图案。
12、优选地，水波吸收层为连续重复排列的倒三角形，倒三角形的两边为锯齿状，锯齿边缘具有凹陷的周期槽型结构；在水波到达后，进入倒三角形缝隙以及凹槽中进行多次反射，使水波能量得到耗散，减小水波的反射。
13、进一步地，长方体水槽底部还放置有若干个物体，使得水面距离不同物体底部深度不同，用出现水波的会聚、发散模拟激光在透镜中的波前传输，用水波传播方向的变化模拟激光在介质表面的折射。
14、优选地，长方体水槽的底部放置物体为梯形、圆顶形物体，水面距离水槽底部深度为h1，水面距离梯形物体底部深度为h3，距离圆顶型物体最高点距离为h2，根据流体力学公式，水波的速度v计算如下：
15、
16、其中h为水深，g为重力加速度，λ为水波的波长；
17、在圆顶型底部上的水波，圆顶中心和边缘的折射率不同引起水波的会聚或者发散，用于模拟激光在透镜中的波前传输；梯形底部上方水波的折射率变大或变小引起水波的传播方向发生变化，用于模拟激光在介质表面的折射。
18、进一步地，双耦合谐振子包括两个小球和两段弹簧；两个小球的质量分别为m1和m2，两段弹簧的回复力系数分别为κ1和κ2，回复力系数为κ1的弹簧一端连接驱动器，受到周期力feiωt的作用；基于双耦合谐振子理论，在ω1和ω2的两个频率具有本征频率的谐振点，对应激光介质中两个能级：
19、
20、假设ω1＜ω2，当驱动力的频率为ω1时，谐振子处于振动的低能态，对应激光晶体中的低能级；当驱动力的频率为ω2时，谐振子处于振动的高能态，对应激光晶体中的高能级；
21、将谐振子放入水中，由于受到水的阻力，谐振子能量降低，同时产生ω1和ω2的振动，使水面产生频率为ω1和ω2的两个水波，产生拍频效应，总效果为产生频率为ω2-ω1的水波，对应上能级跃迁到下能级，释放出频率为ω2-ω1的激光。
22、进一步地，激光的非线性原理，通过由一个小球和一段弹簧构成的单振子模拟；单振子的本征频率为ω，包括有驱动力模式和无驱动力模式；
23、有驱动力模式下，有额外的驱动力连接弹簧的一端，且小球密度比水大，当该驱动力处于单振子的本征频率ω时，由于弹性的非线性特性，单振子出现频率为2ω、3ω的高频振动，将此单振子放入水中，通过摄像头拍摄水波，解析出高次振动谐波，对非线性的倍频、三倍频效应进行模拟；
24、无驱动力模式下，不具有额外的驱动力，且小球密度比水小，水的浮力对小球具有驱动作用，水波驱动单振子振动；通过波源激发频率为ω的水波，小球在受到水波驱动下进行振动，激发频率为2ω、3ω的高频振动，同时产生频率为2ω、3ω的高频水波，模拟非线性的倍频、三倍频效应。
25、进一步地，双耦合谐振子和单振子本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种通过水波模拟激光及非线性光学的教学装置，其特征在于，包括：长方体水槽和覆盖水槽平面的平行光照明光源及摄像头；
2.根据权利要求1所述的通过水波模拟激光及非线性光学的教学装置，其特征在于，所述振动波源为点状振动器或平面状振动器，用以产生点状扩散水波或平面水波；
3.根据权利要求1所述的通过水波模拟激光及非线性光学的教学装置，其特征在于，所述平行光照明光源和摄像头设置于水槽的上方、下方或侧面；
4.根据权利要求1所述的通过水波模拟激光及非线性光学的教学装置，其特征在于，长方体水槽底部的图案具有规律性，且具有明显可区分的形状和颜色，包括：黑白间隔的棋盘格图案。
5.根据权利要求1所述的通过水波模拟激光及非线性光学的教学装置，其特征在于，所述水波吸收层为连续重复排列的倒三角形，倒三角形的两边为锯齿状，锯齿边缘具有凹陷的周期槽型结构；在水波到达后，进入倒三角形缝隙以及凹槽中进行多次反射，使水波能量得到耗散，减小水波的反射。
6.根据权利要求1所述的通过水波模拟激光及非线性光学的教学装置，其特征在于，长方体水槽底部还放置有若
7.根据权利要求6所述的通过水波模拟激光及非线性光学的教学装置，其特征在于，长方体水槽的底部放置物体包括：梯形、圆顶形物体，水面距离水槽底部深度为H1，水面距离梯形物体底部深度为H3，距离圆顶型物体最高点距离为H2，根据流体力学公式，水波的速度v计算如下：
8.根据权利要求1所述的通过水波模拟激光及非线性光学的教学装置，其特征在于，所述双耦合谐振子包括两个小球和两段弹簧；两个小球的质量分别为m1和m2，两段弹簧的回复力系数分别为κ1和κ2，回复力系数为κ1的弹簧一端连接驱动器，受到周期力Feiωt的作用；基于双耦合谐振子理论，在ω1和ω2的两个频率具有本征频率的谐振点，对应激光介质中两个能级：
9.根据权利要求1所述的通过水波模拟激光及非线性光学的教学装置，其特征在于，激光的非线性原理，通过由一个小球和一段弹簧构成的单振子模拟；单振子的本征频率为ω，包括有驱动力模式和无驱动力模式；
10.根据权利要求8或9所述的通过水波模拟激光及非线性光学的教学装置，其特征在于，双耦合谐振子和单振子通过可上下调整的横杆放置于水面上方，通过横杆的上下移动对产生水波的强度进行调整。
11.根据权利要求10所述的通过水波模拟激光及非线性光学的教学装置，其特征在于，在双耦合谐振子和单振子两侧，还放置有水波反射装置，模拟激光谐振腔和非线性谐振腔的反射。
12.根据权利要求1所述的通过水波模拟激光及非线性光学的教学装置，其特征在于，长方体水槽上方包括若干个狭缝，用于模拟激光的单缝衍射、双缝干涉或者多缝干涉。
13.根据权利要求1所述的通过水波模拟激光及非线性光学的教学装置，其特征在于，长方体水槽上沿还具有可放置物品的平面。
...【技术特征摘要】
1.一种通过水波模拟激光及非线性光学的教学装置，其特征在于，包括：长方体水槽和覆盖水槽平面的平行光照明光源及摄像头；
2.根据权利要求1所述的通过水波模拟激光及非线性光学的教学装置，其特征在于，所述振动波源为点状振动器或平面状振动器，用以产生点状扩散水波或平面水波；
3.根据权利要求1所述的通过水波模拟激光及非线性光学的教学装置，其特征在于，所述平行光照明光源和摄像头设置于水槽的上方、下方或侧面；
4.根据权利要求1所述的通过水波模拟激光及非线性光学的教学装置，其特征在于，长方体水槽底部的图案具有规律性，且具有明显可区分的形状和颜色，包括：黑白间隔的棋盘格图案。
5.根据权利要求1所述的通过水波模拟激光及非线性光学的教学装置，其特征在于，所述水波吸收层为连续重复排列的倒三角形，倒三角形的两边为锯齿状，锯齿边缘具有凹陷的周期槽型结构；在水波到达后，进入倒三角形缝隙以及凹槽中进行多次反射，使水波能量得到耗散，减小水波的反射。
6.根据权利要求1所述的通过水波模拟激光及非线性光学的教学装置，其特征在于，长方体水槽底部还放置有若干个物体，使得水面距离不同物体底部深度不同，用出现水波的会聚、发散模拟激光在透镜中的波前传输，用水波传播方向的变化模拟激光在介质表面的折射。
7.根据权利要求6所述的通过水波模拟激光及非线性光学的教学装置，其特征在于，长方体水槽的底部放置物体包括：梯形、圆顶形物体，水面距离水槽底部深度为h1，水面距离梯形物体底部...
【专利技术属性】
技术研发人员：尹志军，叶志霖，崔国新，汤济，石家康，成钊宇，沈厚军，吕新杰，许启诚，
申请(专利权)人：南京南智先进光电集成技术研究院有限公司，
类型：发明
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