光在非均匀介质中的传输特性,已在大气光学、大气激光通信等大尺度领域的研究和微小型梯度折射率光学元器件的设计与制造方面得到了广泛应用。而人们对于光线的弯曲传输现象,总是存在某种程度的神秘感。这一方面源于人们自小形成的光直线传播概念的“根深蒂固”,另一方面是由于在日常生活中的可见范围,不易观察到光线的弯曲传输现象。光在非均匀介质中的弯曲传输特性在空间激光通信、梯度折射率光学元件的设计制造以及光学测量法在传质传热学中的应用,需要深入研究光线传输过程中,折射率变化梯度大小和方向等与光线径迹或光点漂移量之间的关系。但受多种因素限制,在实验室尺度范围内的空气中无法建立相对稳定的大梯度温度场,因此在实验室内有限的空间中,无法实现光弯曲传输特性的实验研究。同时,目前人工制备大尺度固体梯度折射率材料的难度极大、成本极高。这都制约了光在非均匀介质中传输特性研究的实验系统的研制,使得学生对光线在梯度折射率介质中传输特性的理解,更多的依赖于课堂图示和自身的想象力。针对上述问题,为了填补目前国内外关于光在非均匀介质中传输特性研究实验装置方面的空白,本文研制出了一套既能定性观察光束在梯度折射率介质中的传输径迹,又能定量研究光束径迹与介质折射率梯度方向、大小之间关系的“梯度折射率介质中光传输特性实验系统”。本实验系统由光源、梯度折射率场和梯度温度场实时测量三部分构成,所用到的实验仪器主要有半导体激光器、透明水槽、半导体制冷片、多路温度测试仪。实验系统结构简单、成本低廉。本实验系统使用半导体制冷片在水中建立由上到下温度逐渐降低的梯度温度场,由于热光效应,水中会形成由上到下折射率逐渐增大的梯度折射率场。并基于费马原理和热光效应原理,建立了本实验系统中光线弯曲传输的径迹方程。实验研究表明,采用本文提出的技术方案,在水中形成的梯度折射率场尺度大、稳定性好、可重复使用。采用本实验系统,可以明显地观察到激光光束的弯曲传输径迹,并能进行准确的光线径迹测量。实验研究了梯度折射率场的梯度大小、方向与激光束传输径迹的关系,实验测量结果与理论计算值高度吻合。基于光在梯度介质中的传输特性,以本实验系统的实验结果为依据,本文还设计了光在梯度介质中的传输特性应用的实验装置：“冷热水混合过程可视化与热平衡时间的测量”实验装置和“透明液体互溶过程可视化”实验装置。首次实现了透明液体混合过程中传热传质过程的实时可视化与定量测量。本文研制的实验系统,显著的创新之处在于,首次提出并采用将半导体制冷片直接浸入液体中,利用半导体制冷片冷、热面在液体中的吸、放热效应,在液体中建立了大尺度、高梯度和高稳定性的梯度温度场。利用本实验系统,既能定性观察光束在梯度折射率介质中的传输径迹,又能定量研究光束径迹与介质折射率梯度方向、大小之间关系。本实验系统既可作为物理、化学化工、工程热物理、光学通信等专业学生本科阶段拓展性光学实验的教学仪器,又可为大气光学、传热学、大气激光通信和光学遥感等专业研究生提供实验模拟研究条件,还可以作为科技馆、大学演示实验的科普展示仪器。