RU2165071C1

RU2165071C1 - Technique measuring thickness of thin layer of clear liquid

Info

Publication number: RU2165071C1
Application number: RU2000107549/28A
Authority: RU
Inventors: Б.А. Безуглый; А.А. Федорец
Original assignee: Тюменский государственный университет
Priority date: 2000-03-27
Filing date: 2000-03-27
Publication date: 2001-04-10

Abstract

FIELD: optical measurement methods. SUBSTANCE: technique employs phenomenon of thermocapillary convection which is excited in layer of liquid by laser radiation. Surface of liquid takes form of recess in area of incidence of laser beam. Laser beam reflected from recess forms interference picture. Thickness of layer of liquid is found by minimal diameter of interference picture. EFFECT: raised accuracy, widened range and simplified circuit measuring thickness of layers of optically clear liquid. 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к оптическим способам измерения толщины слоя прозрачной жидкости. The present invention relates to optical methods for measuring the thickness of a layer of a transparent liquid.

Известен способ [1], в котором на исследуемую гладкую поверхность направляют узкий луч света. При наличии на поверхности прозрачного слоя луч формирует на ней яркую многозональную область, которая считывается удаленным датчиком. Размеры области зависят от толщины слоя. Способ неприменим для измерения толщины прозрачного слоя на матовой (диффузно рассеивающей) твердой поверхности или слоя жидкости неоднородного по толщине из-за отклонения от горизонтальности плоской твердой поверхности, на которой находится слой. Кроме того, для измерения толщины тонких слоев жидкости с точностью порядка нескольких микрометров, необходим датчик с высокой разрешающей способностью. The known method [1], in which a narrow beam of light is directed onto the smooth surface under study. If there is a transparent layer on the surface of the beam, a beam forms on it a bright multizonal region, which is read by a remote sensor. The dimensions of the region depend on the thickness of the layer. The method is not applicable for measuring the thickness of a transparent layer on an opaque (diffusely scattering) solid surface or a liquid layer non-uniform in thickness due to deviation from the horizontal of the flat solid surface on which the layer is located. In addition, to measure the thickness of thin layers of liquid with an accuracy of the order of several micrometers, a high-resolution sensor is required.

Предлагаемый способ позволит повысить точность, упростить схему и процесс измерения толщины слоев оптически прозрачных жидкостей и расширить диапазон измерений на слои жидкости на матовой поглощающей излучение поверхности и на слои на твердой плоской поверхности, толщина которых неоднородна из-за негоризонтальности поверхности. The proposed method will improve accuracy, simplify the scheme and the process of measuring the thickness of the layers of optically transparent liquids and expand the measurement range to liquid layers on a matte radiation-absorbing surface and to layers on a solid flat surface, the thickness of which is inhomogeneous due to the non-horizontal surface.

Способ состоит в том, что в слое жидкости лазерным пучком создают область возбуждения в виде фотоиндуцированного термокапиллярного (ТК) конвективного вихря, приводящего к динамической деформации свободной поверхности жидкости в виде углубления. Толщину слоя в точке падения лазерного пучка определяют по минимальному диаметру ТК отклика, который в случае неоднородности толщины слоя жидкости из-за негоризонтальности твердой поверхности имеет характерную форму, зависящую от угла наклона подложки к горизонтальной плоскости, фиг. 1. The method consists in creating an excitation region in a layer of liquid with a laser beam in the form of a photoinduced thermocapillary (TC) convective vortex, which leads to dynamic deformation of the free surface of the liquid in the form of a recess. The layer thickness at the point of incidence of the laser beam is determined by the minimum diameter of the response TC, which in the case of heterogeneity of the liquid layer thickness due to the non-horizontal solid surface has a characteristic shape depending on the angle of inclination of the substrate to the horizontal plane, FIG. 1.

Пример. На фиг. 1 показаны две серии фотографий ТК отклика, полученные при облучении пучком He-Ne лазера (мощностью 1 мВт) слоев октана разной толщины на одной и той же эбонитовой подложке. Снимки (слева направо) расположены в порядке возрастания угла α наклона плоскости подложки к горизонтальной плоскости, но при постоянной толщине слоя в центре индуцирующего конвекцию лазерного пучка. Example. In FIG. Figure 1 shows two series of photographs of the TC response obtained by irradiating an He-Ne laser (1 mW power) octane layers of different thicknesses on the same ebonite substrate. The images (from left to right) are arranged in increasing order of the angle α of inclination of the substrate plane to the horizontal plane, but with a constant layer thickness in the center of the convection-inducing laser beam.

Схема эксперимента показана на фиг. 2. Здесь 1 - индуцирующий конвекцию лазерный пучок; 2 - поглощающая излучение подложка, угол α наклона подложки к горизонтальной плоскости может изменяться путем ее вращения вокруг оси 3, благодаря чему толщина слоя жидкости 4 в сечении плоскости оси вращения подложки остается равной толщине слоя жидкости при горизонтальном положении подложки и не зависит от угла наклона подложки. ТК отклик фотографируется зеркальным фотоаппаратом 5 (без объектива), прямым проецированием на фотопленку. The experimental design is shown in FIG. 2. Here 1 is a convection-inducing laser beam; 2 - radiation-absorbing substrate, the angle α of the inclination of the substrate to the horizontal plane can be changed by rotating it around axis 3, so that the thickness of the liquid layer 4 in the section of the plane of the axis of rotation of the substrate remains equal to the thickness of the liquid layer at the horizontal position of the substrate and does not depend on the angle of inclination of the substrate . The TC response is photographed with an SLR camera 5 (without a lens), direct projection onto photographic film.

Небольшая эллиптичность ТК откликов при α = 0^o связана с эллиптичной формой пучка лазера, используемого в экспериментах. Верхняя серия фотографий соответствует слою жидкости толщиной 260 мкм (в сечении оси вращения сосуда), нижняя - 200 мкм. ТК отклик характеризуется двумя взаимно перпендикулярными диаметрами. Один из диаметров ТК отклика (на фотографиях горизонтальный) не зависит от угла наклона подложки и определяется толщиной слоя жидкости в центральной точке лазерного пучка. Другой диаметр отклика (на фотографиях вертикальный) растет с увеличением угла α. По техническим причинам, на снимках взаимно перпендикулярые прямые, которым принадлежат характерные (максимальный и минимальный) диаметры ТК отклика, повернуты на небольшой угол относительно осей кадра. В случае лазерного пучка круглого сечения независимо от угла наклона подложки толщину слоя в точке падения пучка определяют по минимальному диаметру ТК отклика.The small ellipticity of the TC responses at α = 0 ^° is due to the elliptical shape of the laser beam used in the experiments. The upper series of photographs corresponds to a liquid layer with a thickness of 260 μm (in the cross section of the axis of rotation of the vessel), the bottom - 200 μm. The TC response is characterized by two mutually perpendicular diameters. One of the diameters of the TC response (horizontal in the photographs) is independent of the angle of inclination of the substrate and is determined by the thickness of the liquid layer at the center point of the laser beam. The other diameter of the response (vertical in the photographs) increases with increasing angle α. For technical reasons, the mutually perpendicular lines in the pictures, to which the characteristic (maximum and minimum) diameters of the response TC belong, are rotated by a small angle relative to the frame axes. In the case of a laser beam of circular cross section, regardless of the angle of inclination of the substrate, the layer thickness at the point of incidence of the beam is determined by the minimum diameter of the response TC.

Таким образом, для измерений в неоднородных по толщине слоях жидкости, из-за негоризонтальности твердой поверхности, пригодны калибровочные зависимости диаметра ТК отклика от толщины, полученные для плоскопараллельного слоя жидкости. Thus, for measurements in liquid layers that are inhomogeneous in thickness, due to the non-horizontalness of the solid surface, calibration dependences of the response diameter TC on thickness obtained for a plane-parallel liquid layer are suitable.

Литература
1. US 5541733 A (National Research Council of Canada), G 01 В 11/06, 30.07.1996.Literature
1. US 5541733 A (National Research Council of Canada), G 01 B 11/06, 07/30/1996.

Claims

A method for measuring the thickness of thin layers of a transparent liquid, including its irradiation with a laser beam, creating an excitation region by which the thickness of the liquid layer is judged, characterized in that the excitation region is created in the form of a photoinduced thermocapillary convective vortex, leading to dynamic deformation of its free surface in the form of a depression and the layer thickness is determined by the minimum diameter of the interference pattern observed on the screen placed in the cross section of the caustic reflected from the deep laser beam.