Исследование особенностей профиля поверхности капли жидкости методом каустик лазерного излучения

Ведяшкина А.В., Расковская И.Л., Павлов И.Н.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Ведяшкина А.В., Расковская И.Л., Павлов И.Н. Исследование особенностей профиля поверхности капли жидкости методом каустик лазерного излучения // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 1. С. 14–24. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-01-14-24

Vedyashkina A.V., Raskovskaya I.L., Pavlov I.N. Investigation of the liquid droplet surface profile features using the laser caustic method [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 1. P. 14–24. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-01-14-24

Ссылка на англоязычную версию:

Anastasia V. Vedyashkina, Irina L. Raskovskaya, and Ilya N. Pavlov, "Investigation of liquid droplet surface profile features using the laser caustic method," Journal of Optical Technology. 91(1), 7-13 (2024). https://doi.org/10.1364/JOT.91.000007

Аннотация:

Предмет исследования. Особенности профиля поверхности капли жидкости, лежащей на прозрачной подложке. Исследование основывается на оптическом явлении образования каустик — ярких линий, наблюдаемых на экране при зондировании капли лазерным излучением. Цель работы. Обоснование возможностей применения метода каустик лазерного излучения для получения дополнительной информации о микрорельефе и диагностики особенностей профиля поверхности капли жидкости, лежащей на прозрачной подложке. Метод. В основе метода каустик лазерного излучения лежат зондирование объекта исследования лазерным пучком и оценка его характеристик по геометрическим параметрам регистрируемых каустик, возникающих в результате рефракции или отражения. В отличие от других оптических методов метод каустик позволяет определять линии перегиба поверхности в модели капли и их положение с помощью геометрических параметров каустик, которые регистрируются в процессе эксперимента. Основные результаты. Исследование показало, что метод каустик лазерного излучения может применяться для диагностики особенностей профиля поверхности капли жидкости и служить источником дополнительной информации о микрорельефе поверхности капли при применении существующих оптических методов. В работе представлены результаты компьютерного моделирования рефракции лазерного излучения и формирования каустик при зондировании капель жидкости с различной формой профиля поверхности. Объяснено возникновение линий с резко возрастающей интенсивностью светового поля на рефракционном изображении, наблюдаемых в ряде экспериментов по зондированию капли жидкости широким коллимированным лазерным пучком. Практическая значимость. Продемонстрированные в работе новые возможности применения метода каустик лазерного излучения позволяют усовершенствовать существующие оптические методы исследования процессов смачивания и растекания капель и пленок по твердой поверхности без применения дорогостоящего оборудования.

Ключевые слова:

метод каустик, оптика катастроф, лазерная рефрактография, пограничный слой жидкости, краевой угол смачивания

Коды OCIS: 120.5710, 260.2710, 120.4820

Список источников:

1. Majumder B., Katarkar A., Bhaumik S. Effect of structured surface on contact angle using sessile droplet method // Publishing Ltd IOP Conf. Ser.: Materials Sci. and Eng. 2020. V. 814. https://doi.org/10.1088/1757-899X/814/1/012034

2. Павлов И.Н., Расковская И.Л., Толкачев А.В. Структура микрорельефа поверхности испаряющейся с шероховатой подложки капли как возможная причина гистерезиса краевого угла // ЖЭТФ. 2017. Т. 151. № 4. С. 670–681. https://doi.org/ 10.7868/S0044451017040058

3. Павлов И.Н., Расковская И.Л., Ринкевичюс Б.С. Восстановление профиля поверхности капли жидкости на основе послойного лазерного зондирования // Письма в ЖТФ. 2017. Т. 43. № 13. С. 19–25. https://doi.org/10.21883/PJTF.2017.13.44807.16745

4. Chao F.D., Mcquillen J.B., Sankovic J.M., Zhang N. Catastrophe optics method to determine the micro-nano size profiles at TPL of liquid films on a solid surface // Proc. ASME 2009 2nd Micro/Nanoscale Heat and Mass Transfer Internat. Conf. P. MNHMT2009-18335. https://doi.org/10.1115/MNHMT2009-18335

5. Кравцов Ю.А., Орлов Ю.И. Геометрическая оптика неоднородных сред. М.: Наука, 1980. 304 с.

6. Yuana Y., Zhang Q., Sheng C., Zhanga Z. Theoretical model of caustics method for the interfacial cracks // Engineering Fracture Mechanics. 2020. V. 233. P. 107006. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2020.107006

7. Qiu P., Yue Z., Yang R., Li J.C. Effects of vertical and horizontal reflected blast stress waves on running cracks by caustics method // Engineering Fracture Mechanics. 2019. V. 212. P. 164–179. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2019.03.018

8. Rinkevichyus B.S., Evtikhieva O.A., Raskovskaya I.L. Laser refractography. N.Y.: Springer, 2010. 186 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4419-7397-9

9. Ведяшкина А.В., Ринкевичюс Б.С., Павлов И.Н. Исследование диффузионного слоя жидкости с помощью рефракции структурированного лазерного излучения // Сб. науч. тр. VI Междунар. конф. по фотонике и информационной оптике. 2017. С. 217–218.

10. Ведяшкина А.В., Расковская И.Л., Павлов И.Н. Применение метода каустик для исследования процессов тепло- и массопереноса в жидкостях // Сб. науч. тр. Х Междунар. конф. по фотонике и информационной оптике. 2021. С. 431–432.

11. Vedyashkina A.V., Rinkevichyus B.S., Raskovskaya I.L., Pavlov I.N. Laser radiation caustics method for quantitative diagnostic of transparent inhomogeneous media // Proс. Progress in Electromagnetics Research Symp. 2017. P. 754–758. https://doi.org/10.1109/PIERS.2017.8261842

12. Larkin S. Lasers and electro-optics research at the cutting edge. N.Y.: Nova, 2007. 293 p.

13. Zhang N., Chao F.D. Caustics and caustic-diffraction in laser shadowgraphy of a sessile drop and identification of profile near contact line // Opt. and Laser Technol. 2003. V. 35. P. 155–161. https://doi.org/10.1016/S0030-3992(02)00161-5

14. Šikalo Š., Wilhelm H.-D., Roisman I.V., Jakirlić S., Tropea C. Dynamic contact angle of spreading droplets: Experiments and simulations // Physics of Fluids. 2005. V. 17. P. 062103. https://doi.org/10.1063/1.1928828