RU2498366C1 - Apparatus for imaging phase nonuniformities - Google Patents
Apparatus for imaging phase nonuniformities Download PDFInfo
- Publication number
- RU2498366C1 RU2498366C1 RU2012117666/28A RU2012117666A RU2498366C1 RU 2498366 C1 RU2498366 C1 RU 2498366C1 RU 2012117666/28 A RU2012117666/28 A RU 2012117666/28A RU 2012117666 A RU2012117666 A RU 2012117666A RU 2498366 C1 RU2498366 C1 RU 2498366C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- filter
- lens
- zernike
- laser
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Microscoopes, Condenser (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к оптике для визуализации фазовых (прозрачных) объектов и может быть использовано при исследовании газовых потоков, контроля качества оптических элементов, для исследования биологических объектов и при решении иных задач подобного типа.The invention relates to optics for visualizing phase (transparent) objects and can be used in the study of gas flows, quality control of optical elements, for the study of biological objects and in solving other problems of this type.
При прохождении фазового объекта световая волна претерпевает искажения, которые характеризуются изменением ее фазы. Для визуализации подобных объектов широко используются оптические методы, в частности различные модификации шлирных методов (Toepler A. Beobachtungen nach einer neuen optischen Methode - Ein Beitrag zur Experimentalphysik. M. Cohen & Son, Bonn, 1864) /1/. Наиболее распространенная схема включает в себя источник света, расположенный в фокальной плоскости объектива, формирующего плоскопараллельный пучок зондирующего излучения. После прохождения исследуемого объекта с помощью второго объектива излучение фокусируется в его фокальной плоскости, в которой расположена визуализирующая диафрагма. Наибольшее распространение получили схемы с диафрагмами в виде поглощающей полуплоскости (нож Фуко). Применяются и другие виды диафрагм, например в виде отверстия или поглощающего элемента, совпадающего по форме и по размеру с изображением невозмущенного источника света, фазовые и цветные диафрагмы и др. (Васильев Л.А. Теневые методы, M., 1968) /2/. Схема включает устройство регистрации изображения исследуемого объекта. Так как визуализирующая диафрагма расположена в фокальной плоскости приемного объектива, она, по сути, является фильтром пространственных частот.When a phase object passes, the light wave undergoes distortions, which are characterized by a change in its phase. Optical methods are widely used to visualize such objects, in particular, various modifications of schlieren methods (Toepler A. Beobachtungen nach einer neuen optischen Methode - Ein Beitrag zur Experimentalphysik. M. Cohen & Son, Bonn, 1864) / 1 /. The most common scheme includes a light source located in the focal plane of the lens forming a plane-parallel beam of probe radiation. After passing through the studied object using the second lens, the radiation is focused in its focal plane, in which the imaging diaphragm is located. The most widespread are schemes with diaphragms in the form of an absorbing half-plane (Foucault knife). Other types of diaphragms are also used, for example, in the form of a hole or an absorbing element, matching in shape and size with the image of an unperturbed light source, phase and color diaphragms, etc. (Vasiliev L.A. Shadow methods, M., 1968) / 2 / . The circuit includes an image recording device of an object under investigation. Since the imaging diaphragm is located in the focal plane of the receiving lens, it is, in fact, a spatial frequency filter.
Чувствительность теневых методов с ножом Фуко в первом приближении обратно пропорциональна размеру изображения источника света в фокальной плоскости приемного объектива. Однако уменьшение размеров источника приводит к уменьшению рабочего диапазона прибора, росту шумов, связанных с дифракцией на кромке ножа. Растет влияние вибраций и случайных сдвигов оптических элементов. Это затрудняет использование метода для исследования слабых неоднородностей, особенно на крупногабаритных установках, таких как аэродинамические трубы. Другим ограничением является тот факт, что реализующиеся в аэродинамических трубах газовые неоднородности зачастую характеризуются наличием слабых, тем не менее, значимых для понимания процесса возмущений на фоне более сильных. Это требует высокой чувствительности метода наряду с широким рабочим диапазоном прибора, что недостижимо для подобных схем.The sensitivity of shadow methods with a Foucault knife in the first approximation is inversely proportional to the size of the image of the light source in the focal plane of the receiving lens. However, reducing the size of the source leads to a decrease in the operating range of the device, an increase in noise associated with diffraction at the edge of the knife. The influence of vibrations and random shifts of optical elements is growing. This makes it difficult to use the method to study weak inhomogeneities, especially in large installations, such as wind tunnels. Another limitation is the fact that gas inhomogeneities realized in wind tunnels are often characterized by the presence of weak, nevertheless, significant for understanding the process disturbances against the background of stronger ones. This requires high sensitivity of the method along with the wide operating range of the device, which is unattainable for such schemes.
Указанные проблемы в некоторой степени удается решить, используя метод фазового контраста (Zernike F. Das Phasenkontrastverfahren bei der mikroscopischen Beobachtung. Zs. Techn. Phys. 16, 454, 1935; Phys. Zs. 36, 848, 1935) /3/. Метод основан на применении в качестве визуализирующей диафрагмы фазовой пластины, иначе фильтра Цернике. Фазовая пластина изготовлена в виде нанесенного на стеклянную подложку пятна из прозрачного, частично поглощающего свет вещества (собственно фазовая пластина), совпадающего по форме и размеру с изображением источника света. При прохождении через фазовую пластину излучение с нулевой пространственной частотой частично поглощается и приобретает сдвиг фазы. Результат можно представить как добавление волны с нулевой пространственной частотой, сдвинутой по фазе относительно волны, прошедшей через исследуемую неоднородность. В результате регистрируемые изображения аналогичны интерферограммам в бесконечных полосах.These problems can be solved to some extent using the phase contrast method (Zernike F. Das Phasenkontrastverfahren bei der mikroscopischen Beobachtung. Zs. Techn. Phys. 16, 454, 1935; Phys. Zs. 36, 848, 1935) / 3 /. The method is based on the use of a phase plate as an imaging diaphragm, otherwise a Zernike filter. The phase plate is made in the form of a spot deposited on a glass substrate from a transparent, partially absorbing light substance (actually a phase plate), matching in shape and size with the image of the light source. When passing through a phase plate, radiation with a zero spatial frequency is partially absorbed and acquires a phase shift. The result can be represented as the addition of a wave with a zero spatial frequency that is phase shifted relative to the wave that has passed through the inhomogeneity under study. As a result, the recorded images are similar to interferograms in infinite bands.
Метод фазового контраста наряду с высокой чувствительностью имеет достаточно широкий рабочий диапазон, позволяющий визуализировать слабые возмущения на фоне более сильных. Однако, так же как и при использовании методов с ножом Фуко, при малых размерах изображения источника света необходима тщательная юстировка прибора для совмещения фазовой пластины с изображением источника. Случайные смещения оптических элементов прибора и вибрации, сопутствующие работе установок, приводят к смещению изображения источника света относительно фазовой пластины. Это затрудняет, а иногда делает невозможным использование метода. Поэтому основное распространение фазоконтрастные методы получили в микроскопии и при исследованиях на установках, не подверженных вибрациям.The phase contrast method along with high sensitivity has a fairly wide operating range, which allows visualizing weak perturbations against the background of stronger ones. However, just as when using methods with a Foucault knife, with a small image size of the light source, careful adjustment of the device is necessary to combine the phase plate with the image of the source. The random displacements of the optical elements of the device and the vibrations associated with the operation of the installations lead to a shift in the image of the light source relative to the phase plate. This makes it difficult and sometimes impossible to use the method. Therefore, the main use of phase-contrast methods was obtained in microscopy and in studies on installations not subject to vibrations.
В настоящее время известны фазоконтрастные устройства с фильтрами пространственных частот, работающими аналогично обычным фильтрам Цернике, но не требующими тщательной юстировки. В качестве такого фильтра используется тонкий слой фототропного вещества, изменяющего свои оптические свойства (цвет, коэффициент пропускания и/или коэффициент преломления) под действием излучения. Изменение оптических свойств веществ является нелинейным оптическим эффектом. Поэтому существенные изменения оптических свойств возникают при интенсивности излучения выше определенного значения. Для большинства объектов, исследуемых с помощью фазоконтрастных методов, основная доля энергии излучения, фокусируемого в фокальной плоскости приемного объектива, локализована в области нулевой пространственной частоты. Это позволяет регулировкой мощности источника света добиться значимых изменений оптических свойств фототропного слоя только в данной области. В результате образуется самонаведенный фильтр пространственных частот, локализованный в области фокусировки невозмущенной волны зондирующего излучения.Currently, phase-contrast devices with spatial frequency filters are known that work similarly to conventional Zernike filters, but do not require careful adjustment. As such a filter, a thin layer of a phototropic substance is used that changes its optical properties (color, transmittance and / or refractive index) under the influence of radiation. The change in the optical properties of substances is a nonlinear optical effect. Therefore, significant changes in optical properties occur when the radiation intensity is above a certain value. For most objects studied using phase-contrast methods, the bulk of the radiation energy focused in the focal plane of the receiving lens is localized in the region of zero spatial frequency. This allows you to adjust the power of the light source to achieve significant changes in the optical properties of the phototropic layer only in this area. As a result, a self-guided spatial frequency filter is formed, localized in the focusing region of the unperturbed wave of the probe radiation.
Известна конструкция фазоконтрастного устройства, в котором в качестве самонаводящегося фильтра Цернике используется пленка бактериородопсина толщиной 50 мкм (Gastillo M.D.I., Sanchez-de-la-liave D., Garcia R.R., Olivos-Perez L.I., Gonzales L.A. and Rodriguez-Orttiz M. Real-time self-induced nonlinear optical Zernike-type filter in a bacteriorhodopsin film // Opt. Eng. 2001, v.40, №11, p.2367-2368) /4/. В данном фильтре оптическая нелинейность обусловлена каскадными фотохимическими процессами в молекулах бактериородопсина. В качестве источника света используется одномодовый лазер мощностью около 10 мВт. Недостатком устройства является сложность и высокая стоимость изготовления пленки бактериородопсина и большое время наведения и релаксации фильтра, что не позволяет использовать данное устройство на установках, работа которых характеризуется наличием вибраций.A known phase-contrast device design in which a 50 μm thick bacteriorhodopsin film (Gastillo MDI, Sanchez-de-la-liave D., Garcia RR, Olivos-Perez LI, Gonzales LA and Rodriguez-Orttiz M. Real- is used as a self-guiding Zernike filter) time self-induced nonlinear optical Zernike-type filter in a bacteriorhodopsin film // Opt. Eng. 2001, v.40, No. 11, p.2367-2368) / 4 /. In this filter, optical nonlinearity is due to cascading photochemical processes in the molecules of bacteriorhodopsin. A single-mode laser with a power of about 10 mW is used as a light source. The disadvantage of this device is the complexity and high cost of manufacturing a film of bacteriorhodopsin and a long time of pointing and relaxation of the filter, which does not allow the use of this device in installations whose operation is characterized by the presence of vibrations.
Известно фазоконтрастное устройство, содержащее источник когерентного одномодового излучения, по крайней мере, один объектив, в задней фокальной плоскости которого установлен фильтр Цернике в виде кюветы с жидкой средой, работающий на тепловой нелинейности (Бубис Е.Л., Каменский В.А., Матвеев А.З. Фазоконтрастное устройство для визуализации прозрачных объектов // Патент RU на изобретение №2353961) /5/. Среда в кювете обладает достаточно большой величиной потерь на поглощение излучения. В результате частичного поглощения света в ней формируется неоднородный профиль температуры. Формирование тепловой линзы в кювете приводит к расфазировке пространственных частот, что позволяет визуализировать прозрачные объекты. К недостаткам устройства можно отнести относительно большое время наведения и релаксации тепловой линзы, что при наличии вибраций приводит к увеличению ее эффективных размеров до величин, сравнимых с амплитудой вибрационных смещений изображения источника света, и, как следствие, к уменьшению чувствительности. К увеличению размеров тепловой линзы приводит также растекание тепла и довольно большая толщина рабочего слоя (около 1 мм), существенно превышающая длину перетяжки сфокусированного излучения в фокальной плоскости объектива.A phase-contrast device is known that contains a source of coherent single-mode radiation, at least one lens, in the rear focal plane of which a Zernike filter is installed in the form of a cell with a liquid medium, operating on thermal nonlinearity (Bubis E.L., Kamensky V.A., Matveev A.Z. Phase-contrast device for visualizing transparent objects // RU patent for invention No. 2353961) / 5 /. The medium in the cuvette has a sufficiently large amount of radiation absorption loss. As a result of partial absorption of light, an inhomogeneous temperature profile is formed in it. The formation of a thermal lens in a cuvette leads to a phase shift of spatial frequencies, which allows visualization of transparent objects. The disadvantages of the device include the relatively long guidance and relaxation time of the thermal lens, which in the presence of vibration leads to an increase in its effective size to values comparable to the amplitude of the vibrational displacements of the image of the light source, and, as a consequence, to a decrease in sensitivity. Heat spreading also leads to an increase in the size of the thermal lens and a rather large thickness of the working layer (about 1 mm), significantly exceeding the length of the waist of focused radiation in the focal plane of the lens.
Известно устройство с использованием в качестве самонаводящегося фильтра слоя фототропного стекла, меняющего коэффициент поглощения под действием излучения (Павлов А.А., Павлов Ал.А., Голубев М.П. Использование фототропных материалов в качестве адаптивных визуализирующих транспарантов в теневых приборах. Труды IX международной научно-технической конференции Оптические методы исследования потоков ОМИП-2007 (Москва, 26-29 июня 2007 г.), изд. МЭИ, М., 2007, стр.170-173) /6/ и (Бойко В.М., Оришич А.М., Павлов А.А., Пикалов В.В. Методы оптической диагностики в аэрофизическом эксперименте. Новосибирск, НГУ, 2009. 450 с.) /7/. Устройство содержит одномодовый лазерный источник света, объектив для формирования плоскопараллельного пучка зондирующего излучения и приемный объектив. В задней фокальной плоскости приемного объектива установлен самонаводящийся фильтр пространственных частот (АВТ - адаптивный визуализирующий транспарант), работающий на изменении коэффициента поглощения под действием излучения. Устройство содержит систему регистрации, включающую в себя ПЗС камеру. Использовались слои толщиной в диапазоне 2÷3 мм. Максимальное поглощение доходило до 80% и слабо менялось при увеличении толщины слоя при мощности излучения лазера P≈5 мВт. Это связано с достаточно сильной зависимостью индуцированного коэффициента поглощения от интенсивности света и ее быстрым уменьшением вне области перетяжки, в результате чего область преимущественного поглощения локализуется в основном только в ее окрестности. Время самонаведения фильтра составляло около 0.5 с. Время релаксации после выключения лазерного излучения - несколько секунд.A device is known using as a homing filter a layer of phototropic glass that changes the absorption coefficient under the influence of radiation (Pavlov A.A., Pavlov Al.A., Golubev M.P. Use of phototropic materials as adaptive visualizing banners in shadow devices. Proceedings IX international scientific and technical conference Optical methods for studying flows OMIP-2007 (Moscow, June 26-29, 2007), ed. MEI, M., 2007, pp. 170-173) / 6 / and (Boyko V.M., Orishich A.M., Pavlov A.A., Pikalov V.V. Methods of optical diagnostics in aerof experimental experiment.Novosibirsk State University, 2009.450 p.) / 7 /. The device contains a single-mode laser light source, a lens for forming a plane-parallel beam of probe radiation and a receiving lens. In the rear focal plane of the receiving lens, a self-guided spatial frequency filter (AVT - adaptive visualizing transparency) is installed, which works by changing the absorption coefficient under the influence of radiation. The device comprises a registration system including a CCD camera. We used layers with a thickness in the range of 2–3 mm. The maximum absorption reached 80% and changed slightly with increasing layer thickness at a laser radiation power of P≈5 mW. This is due to the rather strong dependence of the induced absorption coefficient on the light intensity and its rapid decrease outside the waist region, as a result of which the region of predominant absorption is localized mainly only in its vicinity. The filter homing time was about 0.5 s. The relaxation time after turning off the laser radiation is a few seconds.
Данное устройство по технической сущности наиболее близко к предлагаемому и выбрано в качестве прототипа. Недостатками прототипа, так же как и упомянутых выше устройств, являются относительно большие времена включения и выключения фильтра, что при наличии вибраций ведет к увеличению поперечных размеров затемненной области. Для достижения поглощения порядка 80% необходимо использовать слои толщиной более 1 мм, что также ведет к увеличению размеров затемненной области. Следствием этого является снижение чувствительности метода и эффективности его использования на установках, характеризующихся наличием вибраций.This device by technical nature is the closest to the proposed and selected as a prototype. The disadvantages of the prototype, as well as the aforementioned devices, are the relatively long times for turning the filter on and off, which in the presence of vibrations leads to an increase in the transverse dimensions of the darkened area. To achieve an absorption of about 80%, it is necessary to use layers with a thickness of more than 1 mm, which also leads to an increase in the size of the darkened region. The consequence of this is a decrease in the sensitivity of the method and the effectiveness of its use in installations characterized by the presence of vibrations.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является разработка удобного в настройке устройства для визуализации фазовых неоднородностей с самонаводящимся фильтром Цернике на нелинейной зависимости показателей поглощения и преломления от интенсивности излучения из дешевого, широко известного и доступного материала, работающего при мощностях излучения несколько мВт, с временами релаксации τ~10-8÷10-4 с, для обеспечения возможности использования фазоконтрастного метода на установках, характеризующихся наличием вибраций.The problem to which this invention is directed is the development of a device that is convenient to configure for visualizing phase inhomogeneities with a self-guided Zernike filter on the nonlinear dependence of absorption and refraction indices on radiation intensity from a cheap, widely known and affordable material operating at radiation powers of several mW, s relaxation times τ ~ 10 -8 ÷ 10 -4 s, to ensure the possibility of using the phase-contrast method in installations characterized by the presence of vibration th.
Указанный технический результат в заявляемом устройстве для визуализации фазовых неоднородностей достигается тем, что устройство содержит одномодовый лазер, по крайней мере, один объектив, самонаводящийся фильтр Цернике, установленный в задней фокальной плоскости объектива, систему регистрации изображений. Согласно изобретению самонаводящийся фильтр Цернике выполнен в виде слоя поглощающего вещества толщиной, не превышающей длины перетяжки сфокусированного пучка зондирующего излучения, обладающего свойством уменьшения коэффициента поглощения под действием излучения в результате эффекта просветления, а в качестве источника излучения используют лазер непрерывного действия или импульсный лазер с возможностью включения излучения на заданный промежуток времени, при этом импульс излучения включают с опережением начала времени экспозиции на время, необходимое для наведения фильтра, и выключают после окончания времени экспозиции регистрирующего устройства.The specified technical result in the inventive device for visualizing phase inhomogeneities is achieved by the fact that the device contains a single-mode laser, at least one lens, a homing Zernike filter installed in the rear focal plane of the lens, an image registration system. According to the invention, the Zernike homing filter is made in the form of an absorbing substance layer with a thickness not exceeding the length of the waist of the focused probe radiation beam having the property of decreasing the absorption coefficient due to radiation as a result of the bleaching effect, and a continuous laser or a pulsed laser is used as a radiation source radiation for a given period of time, while the radiation pulse is turned on ahead of the beginning of the exposure time and the time required to restore the filter, and turned off after the exposure time of the recording device.
С целью уменьшения вероятности образования тепловой линзы и предотвращения деградации активного слоя устройства в качестве источника излучения используют лазер, с возможностью включения излучения на заданный промежуток времени, при этом импульс излучения включают с опережением начала времени экспозиции регистрирующего устройства на время, необходимое для наведения фильтра, и выключают после окончания времени экспозиции.In order to reduce the likelihood of the formation of a thermal lens and prevent degradation of the active layer of the device, a laser is used as a radiation source, with the possibility of turning on the radiation for a predetermined period of time, while the radiation pulse is turned on ahead of the start of the exposure time of the recording device by the time required to guide the filter, and turn off after the exposure time.
Предлагаемое устройство, как и устройство-прототип, содержит одномодовый лазер, оптическую систему для формирования плоскопараллельного пучка зондирующего излучения и приемный объектив. В задней фокальной плоскости приемного объектива установлен самонаводящийся фильтр Цернике. Устройство может быть оснащено системой регистрации изображений.The proposed device, as well as the prototype device, contains a single-mode laser, an optical system for forming a plane-parallel beam of probe radiation and a receiving lens. In the rear focal plane of the receiving lens, a Zernike homing filter is installed. The device can be equipped with an image registration system.
Новым в разработанном устройстве для визуализации фазовых неоднородностей является то, что самонаводящийся фильтр Цернике выполнен в виде слоя толщиной, не превышающей длины перетяжки сфокусированного излучения в фокальной плоскости приемного объектива из твердого или жидкого поглощающего вещества, обладающего свойством уменьшения коэффициента поглощения при увеличении интенсивности падающего на среду излучения в результате эффекта просветления.New in the developed device for visualizing phase inhomogeneities is that the self-guided Zernike filter is made in the form of a layer with a thickness not exceeding the waist length of the focused radiation in the focal plane of the receiving lens of a solid or liquid absorbing substance, which has the property of decreasing the absorption coefficient with increasing intensity incident on the medium radiation as a result of the enlightenment effect.
Известно несколько механизмов эффекта просветления вещества. Наиболее распространенный из них обусловлен насыщением поглощения и объясняется выравниванием населенностей двух уровней энергии квантовой системы под действием резонансного излучения. При увеличении интенсивности падающего излучения растет вероятность индуцированных квантовых переходов с нижнего уровня на верхний (поглощение). Скорость распада возбужденного уровня определяется безызлучательными релаксационными процессами и вынужденным излучением. Вероятность безызлучательных переходов определяется свойствами вещества и не зависит от интенсивности падающего излучения. Вероятность вынужденных переходов пропорциональна интенсивности падающего излучения. В результате с увеличением интенсивности излучения доля поглощаемой в среде энергии уменьшается - переход насыщается, а степень насыщения определяется соотношением скоростей индуцированных переходов и релаксационных процессов. При этом в стационарном режиме коэффициент поглощения α определяется соотношениемSeveral mechanisms of the enlightenment effect of a substance are known. The most common of them is due to saturation of absorption and is explained by the equalization of the populations of two energy levels of the quantum system under the influence of resonant radiation. With increasing intensity of the incident radiation, the probability of induced quantum transitions from the lower to the upper level (absorption) increases. The decay rate of the excited level is determined by non-radiative relaxation processes and stimulated emission. The probability of nonradiative transitions is determined by the properties of the substance and does not depend on the intensity of the incident radiation. The probability of forced transitions is proportional to the intensity of the incident radiation. As a result, with increasing radiation intensity, the fraction of energy absorbed in the medium decreases — the transition is saturated, and the degree of saturation is determined by the ratio of the rates of the induced transitions and relaxation processes. In the stationary mode, the absorption coefficient α is determined by the relation
где α0 - начальный коэффициент поглощения (в слабом поле), I - интенсивность падающего излучения, IН=Nhν/2τα0 - интенсивность насыщения, N - полная плотность активных атомов (молекул), ν - частота падающего излучения, τ - время релаксации в однородно уширенной системе (Гиббс X. Оптическая бистабильность. Управление светом с помощью света. Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - 520 с.) /8/. При просветлении вещества наблюдается изменение и показателя преломления, связанное с уменьшением добавки, обусловленной поглощением.where α 0 is the initial absorption coefficient (in a weak field), I is the incident radiation intensity, I Н = Nhν / 2τα 0 is the saturation intensity, N is the total density of active atoms (molecules), ν is the incident radiation frequency, and τ is the relaxation time in a uniformly broadened system (Gibbs X. Optical bistability. Light control with the help of light. Transl. from English. - Moscow: Mir, 1988. - 520 p.) / 8 /. When a substance is clarified, a change in the refractive index is also associated with a decrease in the additive due to absorption.
Возможны и другие механизмы, приводящие к эффекту просветления, такие как опустошение уровней энергии вблизи потолка валентной зоны и заполнение уровней вблизи дна зоны проводимости, штарковский сдвиг частоты квантового перехода в поле электромагнитной волны и др. Эффект просветления в той или иной степени наблюдается для любых прозрачных веществ, имеющих область резонансного поглощения на длине волны падающего излучения. Значение интенсивности излучения, необходимое для просветления вещества, зависит от типа вещества и механизма, лежащего в основе эффекта просветления, и может составлять величины от долей Вт/см2 до сотен кВт/см2 и более /8/.Other mechanisms leading to the bleaching effect are possible, such as the depletion of energy levels near the top of the valence band and the filling of levels near the bottom of the conduction band, the Stark frequency shift of the quantum transition in the field of an electromagnetic wave, etc. The bleaching effect is observed to some extent for any transparent substances having a resonance absorption region at the wavelength of the incident radiation. The value of the radiation intensity necessary for the enlightenment of a substance depends on the type of substance and the mechanism underlying the enlightenment effect, and can range from fractions of W / cm 2 to hundreds of kW / cm 2 and more / 8 /.
На фиг.1 представлена схема устройства; на фиг.2, 3 приведены примеры использования устройства:Figure 1 presents a diagram of a device; figure 2, 3 shows examples of the use of the device:
фиг.2 - визуализация пламени свечи, частично перекрытого микроскопным покровным стеклом 18×18 мм толщиной 0.17 мм. Источник света: полупроводниковый лазер λ=0.65 мкм, импульсная подсветка. Мощность пучка зондирующего излучения около 5 мВт;figure 2 - visualization of the flame of a candle, partially blocked by a microscopic coverslip 18 × 18 mm with a thickness of 0.17 mm Light source: semiconductor laser λ = 0.65 μm, pulsed illumination. The probe beam power is about 5 mW;
фиг.2,а - фильтр: поляризационный светофильтр (толщина поляроидной пленки 100 мкм). Время задержки экспозиции tz=400 мкс;figure 2, a filter: polarizing filter (polaroid film thickness 100 μm). Exposure delay time t z = 400 μs;
фиг.2,б - фильтр: 0.125% спиртовой раствор бриллиантового зеленого, толщина 50 мкм. Время задержки экспозиции tz=20 мкс;figure 2, b - filter: 0.125% alcohol solution of brilliant green, thickness 50 μm. Exposure delay time t z = 20 μs;
фиг.2,в - водный раствор чернил для струйных принтеров Epson E0010 MCS (CYAN) в пропорции 1/64. Время задержки экспозиции tz=30 мкс;figure 2, in - an aqueous solution of ink for inkjet printers Epson E0010 MCS (CYAN) in a proportion of 1/64. Exposure delay time t z = 30 μs;
фиг.3 - визуализация сверхзвукового газового потока, реализующегося при обтекании затупленной треугольной пластины с уступом 0.1×15 мм в аэродинамической трубе Т-325 ИТПМ СО РАН. Такой же уступ расположен на верхней стенке рабочей части трубы. Число Маха M=2, единичное число Рейнольдса Re1=107 м-1. Представлен фрагмент изображения вблизи уступа на поверхности. Для данной установки характерно наличие интенсивных вибраций, что не позволяет эффективно использовать стандартные теневые схемы. Фильтр: 0.5% спиртовой раствор Родамина 6G, толщина 50 мкм. Источник света: непрерывный лазер λ=0.53 мкм, мощность около 10 мВт;figure 3 - visualization of a supersonic gas stream, which is realized when flowing around a blunt triangular plate with a step of 0.1 × 15 mm in a wind tunnel T-325 ITPM SB RAS. The same ledge is located on the upper wall of the working part of the pipe. Mach number M = 2, unit Reynolds number Re 1 = 10 7 m -1 . A fragment of the image near the ledge on the surface is presented. This installation is characterized by intense vibrations, which does not allow the efficient use of standard shadow schemes. Filter: 0.5% alcohol solution of Rhodamine 6G, thickness 50 microns. Light source: cw laser λ = 0.53 μm, power about 10 mW;
Устройство для визуализации фазовых неоднородностей содержит одномодовый лазерный источник излучения 1, оптический блок, включающий объективы 2 и 3, для формирования плоскопараллельного пучка зондирующего излучения, проходящего через исследуемый объект 4, приемный объектив 6, в фокальной плоскости 5 которого расположен самонаводящийся фильтр Цернике 7, систему регистрации изображений: 8 - матрица телекамеры; 9 - объектив.A device for visualizing phase inhomogeneities contains a single-mode laser radiation source 1, an optical unit including lenses 2 and 3, for forming a plane-parallel probe radiation beam passing through the studied object 4, a receiving
Устройство для визуализации фазовых неоднородностей работает следующим образом.A device for visualizing phase inhomogeneities works as follows.
Плоскопараллельный пучок света от одномодового лазера 1, сформированный объективами 2 и 3, проходит через исследуемый объект 4. Прошедшее излучение фокусируется в фокальной плоскости 5 приемного объектива 6, в которой расположен самонаводящийся фильтр Цернике 7. Изображение объекта фокусируется в плоскости регистрации 8 объективом 9. Фильтр Цернике выполнен в виде жидкого или твердого слоя прозрачного поглощающего вещества, обладающего свойством уменьшения коэффициента поглощения при увеличении интенсивности падающего на среду излучения в результате эффекта просветления, толщиной, не превышающей длину перетяжки сфокусированного лазерного излучения. Для слабых неоднородностей в плоскости фокусировки, где расположен фильтр Цернике, основная энергия зондирующего излучения сконцентрирована в области фокусировки неискаженной волны (область фокусировки нулевой пространственной частоты). Именно в этой области происходит просветление фильтра, выражающееся в изменении комплексного показателя преломления. Это равносильно добавлению к исходной волне в плоскости изображения дополнительной плоской волны. В результате регистрируются изображения, аналогичные интерферограммам в бесконечной полосе.A plane-parallel light beam from a single-mode laser 1, formed by lenses 2 and 3, passes through the studied object 4. The transmitted radiation is focused in the focal plane 5 of the receiving
Так как интенсивность излучения, необходимая для наведения фильтра, достаточно высока, то в результате поглощения может проявляться эффект образования тепловой линзы, используемый в работе /5/ для формирования самонаводящегося фильтра Цернике. Как отмечалось выше, данный эффект снижает чувствительность метода и увеличивает время выключения фильтра, что нежелательно при исследовании слабых неоднородностей и не позволяет эффективно использовать метод на установках, работа которых сопровождается высоким уровнем вибраций.Since the radiation intensity necessary for guiding the filter is high enough, the effect of the formation of a thermal lens, used in / 5 / to form a self-guided Zernike filter, may appear as a result of absorption. As noted above, this effect reduces the sensitivity of the method and increases the filter off time, which is undesirable in the study of weak inhomogeneities and does not allow the method to be effectively used in installations whose operation is accompanied by a high level of vibration.
Для предотвращения образования тепловой линзы слой поглощающего вещества расположен между прозрачными пластинами, которые наряду с локализацией слоя для жидкого вещества обеспечивают отвод тепла от зоны преимущественного поглощения излучения. С этой же целью, а также для уменьшения лучевой нагрузки на активный слой и снижения вероятности его деградации возможно использование лазерного источника с включением излучения на заданный, регулируемый промежуток времени с регулируемой мощностью излучения в импульсе. При этом импульс лазерного излучения включают с опережением начала времени экспозиции регистрирующего устройства (телекамеры) на время tz, необходимое для просветления фильтра, и выключают после окончания времени экспозиции.To prevent the formation of a thermal lens, the layer of the absorbing substance is located between the transparent plates, which along with the localization of the layer for the liquid substance provide heat removal from the zone of predominant absorption of radiation. For the same purpose, as well as to reduce the radiation load on the active layer and reduce the likelihood of its degradation, it is possible to use a laser source with the inclusion of radiation for a given, adjustable period of time with adjustable radiation power in the pulse. In this case, the laser pulse is switched on ahead of the start of the exposure time of the recording device (camera) by the time t z necessary for the clarification of the filter, and turned off after the exposure time.
Для подтверждения работоспособности устройства была проведена визуализация тестовых объектов с использованием твердых и жидких слоев с лазерными источниками света с длиной волны λ=0.65 мкм и λ=0.53 мкм. Характерные геометрические параметры оптической схемы составляли: диаметр входного зрачка приемного объектива D=125 мм; фокусное расстояние F=1150 мм; длина перетяжки ℓ=100 мкм; диаметр фокального пятна (перетяжки) δ=5-10 мкм; толщина самонаводящегося фильтра d≈50-70 мкм. Апробировались различные виды прозрачных поглощающих веществ, в частности водные и спиртовые растворы красителей (бриллиантовый зеленый, родамин 6Ж, метиловый фиолетовый, чернила для струйных принтеров), поляризационные пленки, окрашенные полимерные пленки и др. Во всех случаях удалось осуществить эффективную визуализацию. Характерные мощности лазерного излучения, в зависимости от используемого вещества и загромождения сцены, составляли 5-20 мВт. Регулировкой толщины фильтра и мощности излучения обеспечивался оптимальный режим работы устройства. Возможно изготовление фильтров для любой длины волны излучения оптического диапазона.To confirm the operability of the device, visualization of test objects using solid and liquid layers with laser light sources with a wavelength of λ = 0.65 μm and λ = 0.53 μm was carried out. The characteristic geometric parameters of the optical scheme were: the diameter of the entrance pupil of the receiving lens D = 125 mm; focal length F = 1150 mm; waist length ℓ = 100 μm; the diameter of the focal spot (constriction) δ = 5-10 microns; homing filter thickness d≈50-70 microns. Various types of transparent absorbing substances were tested, in particular, aqueous and alcohol solutions of dyes (brilliant green, rhodamine 6G, methyl violet, ink for inkjet printers), polarizing films, dyed polymer films, etc. In all cases, effective visualization was possible. The characteristic power of the laser radiation, depending on the substance used and the clutter of the scene, was 5-20 mW. By adjusting the filter thickness and radiation power, the optimal operation mode of the device was ensured. It is possible to manufacture filters for any radiation wavelength of the optical range.
Источники информацииInformation sources
1. Toepler A. Beobachtungen nach einer neuen optischen Methode - Ein Beitrag zur Experimentalphysik. M. Cohen & Son, Bonn, 1864.1. Toepler A. Beobachtungen nach einer neuen optischen Methode - Ein Beitrag zur Experimentalphysik. M. Cohen & Son, Bonn, 1864.
2. Васильев Л.А. Теневые методы, M., 1968.2. Vasiliev L.A. Shadow methods, M., 1968.
3. Zernike F. Das Phasenkontrastverfahren bei der mikroscopischen Beobachtung. Zs. Techn. Phys. 16, 454, 1935; Phys. Zs. 36, 848, 1935.3. Zernike F. Das Phasenkontrastverfahren bei der mikroscopischen Beobachtung. Zs. Techn. Phys. 16, 454, 1935; Phys. Zs. 36, 848, 1935.
4. Gastillo M.D.I., Sanchez-de-la-liave D., Garcia R.R., Olivos-Perez L.I., Gonzales L.A. and Rodriguez-Orttiz M. Real-time self-induced nonlinear optical Zernike-type filter in a bacteriorhodopsin film // Opt. Eng. 2001, v.40, №11, p.2367-2368.4. Gastillo M.D.I., Sanchez-de-la-liave D., Garcia R.R., Olivos-Perez L.I., Gonzales L.A. and Rodriguez-Orttiz M. Real-time self-induced nonlinear optical Zernike-type filter in a bacteriorhodopsin film // Opt. Eng. 2001, v.40, No. 11, p.2367-2368.
5. Бубис Е.Л., Каменский В.А., Матвеев А.З. Фазоконтрастное устройство для визуализации прозрачных объектов // Патент на изобретение №2353961.5. Bubis E.L., Kamensky V.A., Matveev A.Z. Phase-contrast device for visualizing transparent objects // Patent for invention No. 2353961.
6. Павлов А.А., Павлов Ал.А., Голубев М.П. Использование фототропных материалов в качестве адаптивных визуализирующих транспарантов в теневых приборах. Труды IX международной научно-технической конференции. Оптические методы исследования потоков ОМИП-2007. Москва, 26-29 июня 2007 г. Изд. МЭИ, M., 2007, стр.170-173.6. Pavlov A.A., Pavlov Al.A., Golubev M.P. The use of phototropic materials as adaptive visualizing banners in shadow devices. Proceedings of the IX international scientific and technical conference. Optical methods for studying flows OMIP-2007. Moscow, June 26-29, 2007 Ed. MPEI, M., 2007, pp. 170-173.
7. Бойко В.M., Оришич А.M., Павлов А.А., Пикалов В.В. Методы оптической диагностики в аэрофизическом эксперименте. Новосибирск, НГУ, 2009. 450 с. - Прототип.7. Boyko V.M., Orishich A.M., Pavlov A.A., Pikalov V.V. Optical diagnostic methods in an aerophysical experiment. Novosibirsk, NSU, 2009.450 s. - The prototype.
8. Гиббс X. Оптическая бистабильность. Управление светом с помощью света. Пер. с англ. - M.: Мир, 1988. - 520 с.8. Gibbs X. Optical bistability. Controlling light with light. Per. from English - M .: Mir, 1988 .-- 520 p.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012117666/28A RU2498366C1 (en) | 2012-04-27 | 2012-04-27 | Apparatus for imaging phase nonuniformities |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012117666/28A RU2498366C1 (en) | 2012-04-27 | 2012-04-27 | Apparatus for imaging phase nonuniformities |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2498366C1 true RU2498366C1 (en) | 2013-11-10 |
Family
ID=49683321
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012117666/28A RU2498366C1 (en) | 2012-04-27 | 2012-04-27 | Apparatus for imaging phase nonuniformities |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2498366C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2569040C1 (en) * | 2014-07-15 | 2015-11-20 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН) | Phase-contrast device to get brightness-inverted image of opaque objects |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1095032A1 (en) * | 1979-09-07 | 1984-05-30 | Херсонесский Государственный Историко-Археологический Заповедник | Phase non-uniformity visualization method |
| RU2087021C1 (en) * | 1994-03-14 | 1997-08-10 | Акционерное общество "ЛОМО" | Phase-contrast device for visualization of phase objects |
| DE19942856A1 (en) * | 1999-09-08 | 2000-06-21 | Gerd E A Meier | Schlieren measuring process detects changes in turbulent atmospheric flow, aerodynamic, chemical processing and environmental pollution |
| RU2353961C1 (en) * | 2007-06-25 | 2009-04-27 | Институт прикладной физики РАН | Phase-contrast device for transparent objects visualisation |
| US7812967B2 (en) * | 2006-12-26 | 2010-10-12 | Olympus Corporation | Microscopy method and microscope |
-
2012
- 2012-04-27 RU RU2012117666/28A patent/RU2498366C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1095032A1 (en) * | 1979-09-07 | 1984-05-30 | Херсонесский Государственный Историко-Археологический Заповедник | Phase non-uniformity visualization method |
| RU2087021C1 (en) * | 1994-03-14 | 1997-08-10 | Акционерное общество "ЛОМО" | Phase-contrast device for visualization of phase objects |
| DE19942856A1 (en) * | 1999-09-08 | 2000-06-21 | Gerd E A Meier | Schlieren measuring process detects changes in turbulent atmospheric flow, aerodynamic, chemical processing and environmental pollution |
| US7812967B2 (en) * | 2006-12-26 | 2010-10-12 | Olympus Corporation | Microscopy method and microscope |
| RU2353961C1 (en) * | 2007-06-25 | 2009-04-27 | Институт прикладной физики РАН | Phase-contrast device for transparent objects visualisation |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| БОЙКО В.М. и др. Методы оптической диагностики в аэрофизическом эксперименте. - Новосибирск: НГУ, 2009, с.257-262. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2569040C1 (en) * | 2014-07-15 | 2015-11-20 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН) | Phase-contrast device to get brightness-inverted image of opaque objects |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7332705B2 (en) | Method for high speed microscopy with three-dimensional laser beam scanning | |
| JP4964123B2 (en) | Method of forming an optically active device used as a tunable photonic crystal with a cavity structure | |
| CN105241857B (en) | A kind of super-resolution imaging system | |
| JP5547868B2 (en) | Microscope system and method using the same | |
| Shibuta et al. | Imaging and characterizing long-range surface plasmon polaritons propagating in a submillimeter scale by two-color two-photon photoelectron emission microscopy | |
| US10509168B2 (en) | Methods and systems for optical functionalisation of a sample made of semiconductor material | |
| Pinhas et al. | Plasma dispersion effect based super-resolved imaging in silicon | |
| CN108054623A (en) | A kind of system and method that " flying focus " is used to generate THz wave | |
| RU2353961C1 (en) | Phase-contrast device for transparent objects visualisation | |
| CN110171801B (en) | Preparation method of self-organized periodic micro-nano structure with alternately arranged glass and crystals | |
| Okhrimchuk et al. | Phase transformation under direct laser writing in a YAG single crystal | |
| RU2498366C1 (en) | Apparatus for imaging phase nonuniformities | |
| DE102008048266B4 (en) | A method for the rapid determination of the separate components of volume and surface absorption of optical materials, an apparatus therefor and their use | |
| Strycker et al. | Energy transfer between laser filaments in liquid methanol | |
| WO2024192877A1 (en) | Complementary bessel light droplet two-photon microscopic imaging system | |
| JP2000131616A (en) | Visualized optical system | |
| JP2022518162A (en) | Pulse shaping for STED microscopy | |
| Pavlov et al. | Application of saturable absorption adaptive visualizing transparencies to obtain flow density fields | |
| US20210336406A1 (en) | Converging thermal lenses, and optical systems, kits, and methods for formation and use thereof | |
| RU2433515C1 (en) | Method of forming soft diaphragm | |
| KR100784901B1 (en) | Optical device using depletion coherent anti-stokes raman spectroscopy | |
| WO2024176840A1 (en) | Optical connection component and method for manufacturing optical connection component | |
| CN115857198B (en) | Light modulation device light regulation and control method and device | |
| Mangini et al. | Giving light a new twist with standard optical fibres: rainbow spiral emission | |
| Mangini et al. | Giving light a new twist with standard optical fibres: rainbow Archimedean spiral emission |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180428 |