刘新军,陈奕霖,冀蕾诺,王瑜,刘宇浩,肖志博,曹程驰,丁锐锋,胡伟,秦珠

• 1:天津大学理学院物理系
• 2:天津大学精密仪器与光电子工程学院
• 3:天津大学建筑学院
• 4:天津大学材料科学与工程学院

摘要(Abstract)：

本文提了出一种基于水三棱镜的室内彩虹可控生成方法，通过调节注水矩形玻璃鱼缸底部曲率，实现了米级条形(垂直宽度1.0m,水平宽度36.0cm)与大跨度拱形彩虹(水平跨度4.0m,拱高2.0m,光谱垂直宽度36.0cm)的高亮度投影。研究表明，该彩虹本质为阳光在空气-水界面经历折射-反射-折射(RRR)过程后产生的色散光谱的形态可通过几何光学参数精准调控：条形彩虹呈红上紫下分布，拱形彩虹则呈现红外紫内的类自然彩虹的弯曲特征。本文基于光线追迹模型，系统揭示了太阳高度角(α=55°)、鱼缸倾角(θ=2.8°～9.0°)及亚克力玻璃基底拱高(h_a=1.5～3.5cm)对彩虹尺寸的定量影响规律，并通过TracePro仿真验证了光强分布特征与真彩色再现效果。实验表明，当有效进光面积仅为～9.0cm~2时，可在6.4m投射距离下获得明亮拱形彩虹，相应模拟计算的最大辐照度达1.01W/m~2。本文还通过进一步理论预测指出，增大鱼缸尺寸并优化曲率可提升亮度至实际应用水平。特别地，反向弯曲亚克力基底也可以产生拱形彩虹，这是一种反直觉光学现象，其中玻璃片左侧入射光形成拱形彩虹右侧光谱。本研究为复杂色散效应的可视化教学提供了创新方案，同时为建筑光学装饰与艺术投影技术奠定了实验基础。

关键词(KeyWords)： 拱形彩虹;水三棱镜;光的色散;几何光学;计算机模拟

Abstract:

Keywords:

基金项目(Foundation): 2023年大学生创新创业训练计划项目;; 2024年天津大学理学院本科教学研究项目

作者(Author): 刘新军,陈奕霖,冀蕾诺,王瑜,刘宇浩,肖志博,曹程驰,丁锐锋,胡伟,秦珠

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