RU168564U1

RU168564U1 - Голографический интерферометр

Info

Publication number: RU168564U1
Application number: RU2016131647U
Authority: RU
Inventors: Владимир Тимофеевич Черных; Дмитрий Артёмович Черных; Галина Сергеевна Черных
Priority date: 2016-08-01
Filing date: 2016-08-01
Publication date: 2017-02-08

Abstract

Голографический интерферометр содержит когерентный источник излучения, коллиматор, первый светоделитель, первое отражательное зеркало, установленное в первом опорном пучке, рабочую зону, объектив и узел регистрации голограммы. Дополнительно интерферометр содержит второй и третий светоделители, второе и третье отражательные зеркала, формирующие дополнительные опорные пучки. В указанных опорных пучках установлены первый, второй и третий непрозрачные экраны, которые обеспечивают возможность последовательного наложения опорных пучков на первый объектный пучок в плоскости узла регистрации голограммы. Технический результат заключается в обеспечении возможности изучения нестационарных процессов на разных стадиях их развития, не вмешиваясь в их физико-химические явления, что повышает точность измерений параметров исследуемого процесса. 2 ил.

Description

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использована в натурных энергетических установках для изучения нестационарных процессов распыливания топлива и количественного изучения структуры и дисперсности топливного факела, в гидродинамике для изучения массообмена между твердой фазой и жидкой средой при создании новых химических технологий, в механике высокоскоростного разрушения твердых материалов при их сквозном разрушении и определении при этом пространственного распределения частиц в двухфазном потоке и в других аналогичных областях.

Известен голографический интерферометр (см. Черных В.Т., Черных Г.С., БорисовА. Н., Тукшаитов Р.Х. Патент полезн. модели №123136 от 20.12.2012 г. Бюл. №35, 2012 г.), содержащий лазер, светоделитель для образования опорной и объектной ветвей, коллиматоры опорной и объектной ветвей, систему зеркал, установленных вдоль опорной и объектной ветвей, рабочую зону, проекционный объектив и узел регистрации голограммы.

Известен также голографический интерферометр (см. Черных В.Т., Черных Г.С. Патент полезн. модели №140575 от 09.04.2014 г. Бюл. №13, 2014 г.), содержащий лазер, коллиматор, светоделитель для разделения лазерного пучка на объектный пучок и первый опорный пучок, зеркало первого опорного пучка, проекционный объектив, рабочую зону и узел регистрации голограммы.

Наиболее близким техническим решением является голографический интерферометр (см. Черных В.Т., Белозеров А.Ф. Авторское свидетельство №469882 от 14.01.1975 г. Бюл. №17 1975 г. - прототип), содержащий источник когерентного излучения, светоделительную пластину, оптическую систему для формирования опорного и сигнального (объектного) пучков, периодическую структуру перед объектом, например, дифракционную решетку и регистрирующую среду.

Недостатком известных голографических интерферометров является ограниченные технологические возможности при количественном измерении тонкой пространственной структуры нестационарного процесса поскольку за время одного эксперимента не представляется возможным фиксировать изменение процесса в разные моменты времени. За счет этого также вносится существенная погрешность в топографические измерения параметров нестационарного процесса.

Однако на практике существует целый спектр задач, предусматривающих изучение нестационарных объектов слабо изменяющихся во времени и реальное решение их требует создание голографических интерферометров, позволяющих за время одного опыта получать серию голографических интерферограмм, соответствующих разным моментам времени развития нестационарного процесса.

Задачей предлагаемой полезной модели является разработка голографического интерферометра, в котором устранены недостатки аналогов и прототипа.

Техническим результатом является расширение технологической возможности голографического интерферометра при изучении нестационарных процессов за счет обеспечения возможности получения голографических интерферограмм, соответствующих разным временным стадиям развития единого процесса и повышения, за счет этого, точности измерения параметров объекта.

Технический результат достигается тем, что в голографическом интерферометре, содержащем когерентный источник излучения, коллиматор, первый светоделитель для формирования объектного пучка W_об1 и первого опорного пучка W_оп1, первое отражательное зеркало, установленное в первом опорном пучке W_оп1, рабочую зону, объектив и узел регистрации голограммы, отличающийся тем, что он дополнительно содержит второй и третий светоделители, второе и третье отражательные зеркала, первый, второй и третий непрозрачные экраны, при этом второй и третий светоделители, формирующие второй W_оп2, третий W_оп3, и четвертый W_оп4 опорные пучки, установлены в первом опорном пучке W_оп1, между первым светоделителем и первым отражательным зеркалом, под углом к оптической оси первого опорного пучка W_оп1, а второе и третье отражательные зеркала установлены между вторым и третьим светоделителями и узлом регистрации голограммы, с возможностью последовательного наложения опорных пучков W_оп2, W_оп3, и W_оп4 на объектный пучок W_оп1 в плоскости узла регистрации голограммы, при этом первый, второй и третий непрозрачные экраны установлены соответственно, во втором W_оп2, третьем W_оп3 и четвертом W_оп4 опорных пучках с возможностью их ввода - вывода из рабочего положения.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых представлена принципиальная схема оптической системы голографического интерферометра (фиг. 1) и схема восстановления волновых фронтов с голограммы (фиг. 2).

Цифрами на чертеже (фиг. 1) обозначены:

1 - лазер (когерентный источник излучения),

2 - отрицательная линза коллиматора,

3 - объектив коллиматора,

4 - первый светоделитель,

5 - рабочая зона,

6 - проекционный объектив,

7 - узел регистрации голограммы,

8 - второй светоделитель,

9 - второе отражательное зеркало,

10 - третий светоделитель,

11 - третье отражательное зеркало,

12 - первое отражательное зеркало,

13, 14, 15 – первый, второй и третий непрозрачные экраны соответственно.

Цифрами на чертеже (фиг. 2) обозначены:

16 - восстанавливающий пучок W_в,

17 - голограмма,

18 - голографическая интерферограмма, соответствующая моменту времени t₁,

19 - голографическая интерферограмма, соответствующая моменту времени t₂,

20 - голографическая интерферограмма, соответствующая моменту времени t₃.

Голографический интерферометр содержит оптически связанные лазер 1, коллиматор, состоящий из отрицательной линзы 2 и объектива 3, первый светоделитель 4 для образования первого опорного пучка и первого объектного пучка, рабочую зону 5, проекционный объектив 6, узел регистрации голограммы 7, второй светоделитель 8 и второе отражательное зеркало 9 для формирования второго опорного пучка, третий светоделитель 10 и третье отражательное зеркало 11 для формирования третьего опорного пучка, первое отражательное зеркало 12 для формирования четвертого опорного пучка, непрозрачные экраны 13, 14, 15, установленные во втором, третьем и четвертом опорных пучках соответственно.

Отличием предлагаемого голографического интерферометра является то, что система светоделителей в виде второго 8 и третьего 10 установлена в первой опорной ветви W_оп1.

Система светоделителей в виде второго 8 и третьего 10 установлены под углом к оптической оси первой опорной ветви W_оп1.

Между вторым 8 и третьим 10 светоделителями и узлом регистрации голограммы 7 установлены отражательные зеркала 9 и 11.

Во второй, третьей и четвертой опорных ветвях голографического интерферометра установлены непрозрачные экраны 13, 14, 15 с возможностью их ввода - вывода из рабочего положения.

Принцип действия предлагаемого голографического интерферометра заключается в следующем.

Когерентное излучение от лазера 1 поступает в коллиматор, состоящий из отрицательной линзы 2 и объектива 3, на выходе которого формируется пучок параллельных световых лучей. Далее этот пучок падает на первый светоделитель 4, посредством которого делится на первый опорный пучок W_оп1 и первый объектный пучок W_об1. Первый объектный пучок W_об1 далее проходит сквозь рабочую зону 5, проекционный объектив 6 и достигает узла регистрации голограммы 7. Проекционный объектив 6 сопрягает плоскость объекта 5 с плоскостью узла регистрации голограммы 7. За счет этого достигают четких границ изображения исследуемого объекта, что весьма важно при анализе микроструктуры объекта, каким, например, является диффузионный пограничный слой.

Отраженный от первого светоделителя 4 световой пучок W_оп1 падает на второй светоделитель 8 и, отразившись от него, служит вторым опорным пучком W_об2. С помощью второго отражательного зеркала 9 пучок W_оп2 направляется под углом θ₁ на узел регистрации голограммы 7, где налагается на первый объектный пучок W_об1.

Пучок, прошедший сквозь второй светоделитель 8 достигает третьего светоделителя 10 и, отразившись от него, выполняет роль третьего опорного пучка W_оп3 направляется под углом θ₂ в плоскость регистрации голограммы 7, где налагается на первый объектный пучок W_об1.

Световой пучок, прошедший сквозь светоделитель 10, служит четвертым опорным пучком W_оп4. С помощью первого отражательного зеркала 12 пучок W_оп4направляется под углом θ₃ в плоскость узла регистрации голограммы 7, где он налагается на первый объектный пучок W_об1.

В каждом опорном пучке W_оп2, W_оп3 и W_оп4 установлены перпендикулярно к оптическим осям непрозрачные экраны 13, 14 и 15 соответственно. В рабочем положении экраны 13, 14 и 15 выводятся из опорных пучков W_оп2, W_оп3 и W_оп4.

Голограмму нестационарного процесса регистрируют двухэкспозиционным методом.

Во время первых трех экспозиций, разделенных во времени, исследуемый объект в рабочей зоне 5 отсуствует.

При первой экспозиции в плоскости 7 интерферируют только первый объектный пучок W_об1 и второй опорный пучок W_оп2. При этом непрозрачный экран 13 выведен из второго опорного пучка W_оп2, а в опорных пучках W_оп3 и W_оп4 введены непрозрачные экраны 14 и 15. После записи первой голограммы в опорный пучок W_оп2 вводят непрозрачный экран 13.

Далее из третьего опорного пучка W_оп3 выводят экран 14. При этом в опорные пучки W_оп2 и W_оп4 введены экраны 13 и 15. В плоскости регистрации 7 записывают голограмму при суперпозиции пучков W_об1 и W_оп3. После экспозиции в опорный пучок W_оп3 вводят экран 14.

Для записи третьей голограммы из четвертого опорного пучка W_оп4 выводят непрозрачный экран 15. При этом в опорные пучки W_оп2 и W_оп3 введены непрозрачные экраны 13 и 14. В плоскости узла 7 регистрируют голограмму при интерференции первого объектного пучка W_об1 и четвертого опорного пучка W_оп4. После экспозиции в четвертый опорный пучок W_оп4 вводят непрозрачный экран 15.

Далее в рабочую зону 5 устанавливают объект исследования, являющийся нестационарным процессом, например, изучают набухание гранул каучука, активированных каким-либо металлом, в толуоле.

Вторую экспозицию выполняют также в три этапа, с теми же опорными пучками W_оп2, W_оп3 и W_оп4, но при этом первый объектный пучок W_об1 будет уже соответствовать трем стадиям развития нестационарного процесса и пучки, прошедшие сквозь него можно представить в виде трех объектных пучков: W'_об2, Wʺ_об3 и Wʺ'_об4. Каждый из этих пучков будет характеризоваться своими фазовыми изменениями, вносимыми исследуемым процессом в моменты времени t₁, t₂ и t₃.

При записи первой объектной голограммы в плоскости узла регистрации 7 будут интерферировать второй опорный пучок W_оп2 и объектный пучок W'_об2.Причем пучок W'_об2 характеризует состояние процесса на стадии его развития в момент времени t₁.

При записи второй объектной голограммы будут интерферировать третий опорный пучок W_оп3 и объектный пучок W'_об3. Деформация волнового фронта W'_об3будет соответствовать состоянию процесса в момент времени t₂.

При регистрации третьей объектной голограммы будут интерферировать четвертый опорный пучок W_оп4 и объектный пучок W'_об4. Деформация волнового фронта объектного пучка W'_об4 будет определяться состоянием нестационарного процесса в момент времени t₃ от его начала.

После выполнения двух этапов, на каждом из которых выполняется запись трех голограмм без объекта исследования и с объектом в рабочей зоне 5, регистрирующая среда 7 подвергается фотохимической обработке. Полученная голограмма используется для восстановления волновых фронтов - получения голографических интерферограмм нестационарного процесса.

Восстановление волновых фронтов с голограммы изображено на фиг. 2. Голограмму 17 просвечивают коллимированным световым пучком W_в 16, падающим по нормали к ее поверхности. В направлениях дифрагированных углов θ_1д, θ_2д и θ_3д восстанавливаются эталонные пучки W_oп2, W_оп3 и W_оп4 и объектные пучки W'_об2, Wʺ_об3, Wʺ'_об4. При суперпозиции этих волновых фронтов образуются голографические интерферограммы 18, 19 и 20. Каждая из интерференционных картин характеризует развитие нестационарного процесса в разные моменты времени t₁, t₂ и t₃ от начала его возникновения. В случае, если требуется регистрация голограмм развивающегося процесса и в последующие моменты времени, то вдоль оптической оси первого опорного пучка W_оп1 должно быть установлено более двух светоделительных элементов.

Таким образом, предлагаемый голографический интерферометр позволяет изучать нестационарные процессы, не вмешиваясь в их физико-химические явления, что расширяет его технологические возможности и повышает точность измерений параметров исследуемого процесса, а также упрощает интерпретацию экспериментальных результатов.

Claims

Голографический интерферометр, содержащий когерентный источник излучения, коллиматор, первый светоделитель для формирования первого объектного пучка W_об1 и первого опорного пучка W_оп1, первое отражательное зеркало, установленное в первом опорном пучке W_оп1, рабочую зону, объектив и узел регистрации голограммы, отличающийся тем, что он дополнительно содержит второй и третий светоделители, второе и третье отражательные зеркала, первый, второй и третий непрозрачные экраны, при этом второй и третий светоделители, формирующие второй W_оп2, третий W_оп3 и четвертый W_оп4 опорные пучки, установлены в первом опорном пучке W_оп1, между первым светоделителем и первым отражательным зеркалом, под углом к оптической оси первого опорного пучка W_оп1, а второе и третье отражательные зеркала установлены между вторым и третьим светоделителями и узлом регистрации голограммы с возможностью последовательного наложения опорных пучков W_оп2, W_оп3 и W_оп4 на первый объектный пучок W_об1 в плоскости узла регистрации голограммы, при этом первый, второй и третий непрозрачные экраны установлены соответственно во втором W_оп2, третьем W_оп3 и четвертом W_оп4 опорных пучках с возможностью их ввода-вывода из рабочего положения.