RU2548924C2 - Device to measure index of refraction of separate cross sections of investigated medium during non-stationary processes - Google Patents

Device to measure index of refraction of separate cross sections of investigated medium during non-stationary processes Download PDF

Info

Publication number
RU2548924C2
RU2548924C2 RU2013113900/28A RU2013113900A RU2548924C2 RU 2548924 C2 RU2548924 C2 RU 2548924C2 RU 2013113900/28 A RU2013113900/28 A RU 2013113900/28A RU 2013113900 A RU2013113900 A RU 2013113900A RU 2548924 C2 RU2548924 C2 RU 2548924C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
refraction
medium
change
gradient
foucault knife
Prior art date
Application number
RU2013113900/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013113900A (en
Inventor
Рафаэль Анварович Галиуллин
Вадим Серафимович Зиборов
Original Assignee
Рафаэль Анварович Галиуллин
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Рафаэль Анварович Галиуллин filed Critical Рафаэль Анварович Галиуллин
Priority to RU2013113900/28A priority Critical patent/RU2548924C2/en
Publication of RU2013113900A publication Critical patent/RU2013113900A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2548924C2 publication Critical patent/RU2548924C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: measurement equipment.
SUBSTANCE: device may be used to investigate high-speed processes in gases and other transparent media, for instance, in shock waves. The device comprises a source of monochromatic radiation, two transparent flat-parallel windows, between which there is the examined medium, a Foucault knife, a length-adjusted slot, perpendicular to the edge of the Foucault knife, a photodetector, a memory device. The angle of light beam fall at the inlet window is more than zero. The edge of the Foucault knife is arranged in parallel to the direction of heterogeneity motion or gradient of refraction index change gradient. By change of the photodetector signal they decide on the change of optical properties of the examined medium. The beam movement is registered in the direction perpendicular to the gradient of refraction index change, depending on the index of refraction of the medium in the cross section.
EFFECT: possibility to determine an index of refraction of the examined medium in an available cross section of a device.
3 dwg

Description

Изобретение относится к оптическим методам и приборам. В нашем рассмотрении основной измеряемой величиной является интенсивность светового луча, падающего на вход фотоприемника. Измеряемая величина зависит от коэффициента преломления среды, через который проходит луч, и поэтому мы можем определить изменения коэффициента преломления среды.The invention relates to optical methods and devices. In our consideration, the main measured quantity is the intensity of the light beam incident on the input of the photodetector. The measured value depends on the refractive index of the medium through which the beam passes, and therefore we can determine the changes in the refractive index of the medium.

Мы рассматриваем случай, когда коэффициент преломления среды однороден в плоскости луча (см. рис.1) и меняется со временем. Такая ситуация, в частности, возникает, если фронт ударной волны плоский и параллелен плоскости рисунка 1, в которой лежит луч света.We consider the case when the refractive index of the medium is uniform in the plane of the beam (see Fig. 1) and varies with time. Such a situation, in particular, arises if the front of the shock wave is flat and parallel to the plane of Figure 1, in which the light ray lies.

Для случаев, когда показатель преломления меняется только по одной координате, разработан метод, описанный на стр.35 Книги «Теневые методы» Васильева Л.А. со ссылкой на источник: Ball G.A 5th symposium (internal.) on combustion, 1954. New York, 1955, p.366.For cases when the refractive index varies in only one coordinate, a method has been developed that is described on page 35 of the book “Shadow Methods” L. Vasilieva with reference to the source: Ball GA 5 th symposium (internal.) on combustion, 1954. New York, 1955, p. 366.

При исследовании нестационарных процессов, в частности в ударных трубах, в которых объект резко меняет свои характеристики, необходимо развернуть процесс во времени, получать количественные данные в течение всего эксперимента. Схема метода с фотоэлектрической регистрацией сигнала описана на стр.61 Книги «Теневые методы» Васильева Л.А. со ссылкой на источник: Васильев Л.А., Галанин А.Г., Ершов И.В. Сунцов Г.Н. Приборы и техника эксперимента, т.V-VII №3, 195 (1964). В методе, описанном в этой статье, показывается, что угол отклонения света в плоских неоднородностях линейно связан с градиентом логарифма показателя преломления газа, и кромка ножа Фуко расположена перпендикулярно направлению движения неоднородности.In the study of non-stationary processes, in particular in shock tubes, in which an object sharply changes its characteristics, it is necessary to deploy the process in time, to obtain quantitative data throughout the experiment. The scheme of the method with photoelectric signal recording is described on page 61 of the book “Shadow Methods” L. Vasilieva with reference to the source: Vasiliev L.A., Galanin A.G., Ershov I.V. Suntsov G.N. Instruments and experimental equipment, vol. V-VII No. 3, 195 (1964). In the method described in this article, it is shown that the angle of light deviation in planar inhomogeneities is linearly related to the gradient of the logarithm of the refractive index of the gas, and the edge of the Foucault knife is perpendicular to the direction of motion of the inhomogeneity.

В статье «Experimental Investigation of Air Radiation from Behind a Strong Shock Wave» Jomal of Thermophysics and Heat Transfer Vol.16, No. 1 January-March 2002 (p.77-82), описывается устройство для обнаружения положения фронта ударной волны в ударной трубе, однако это устройство позволяет определить положение фронта с точностью не более 1,1 мм и не может дать информацию о тонкой структуре фронта ударной волны.In the article "Experimental Investigation of Air Radiation from Behind a Strong Shock Wave" Jomal of Thermophysics and Heat Transfer Vol. 16, No. January 1-March 2002 (p.77-82), describes a device for detecting the position of the front of a shock wave in a shock tube, but this device allows you to determine the position of the front with an accuracy of not more than 1.1 mm and cannot provide information about the fine structure of the front of the shock the waves.

Задача изобретения - создание устройства для получения электрического сигнала, коррелированного с оптическим показателем преломления сечения исследуемой среды при нестационарных процессах.The objective of the invention is the creation of a device for producing an electrical signal correlated with the optical refractive index of the cross section of the medium under investigation during non-stationary processes.

Техническим результатом является возможность получения электрического сигнала, коррелированного с показателем преломления исследуемой среды 4, лежащей в плоскости рис.1.The technical result is the possibility of obtaining an electrical signal correlated with the refractive index of the investigated medium 4 lying in the plane of Fig. 1.

Технический результат достигается за счет того, что в устройстве (рис.1), которой представляет собой источник света 1, два прозрачных плоскопараллельных и параллельных между собой окна 3 и 5, между которыми находится среда 4 с переменным во времени показателем преломления, нож Фуко 7, щель 8, перпендикулярная кромке ножа Фуко, регистратор света 9, запоминающее устройство 10, новым является то, что угол α1 падения луча света на входное окно 3 больше нуля и что кромка ножа Фуко расположено параллельно направлению движения неоднородности.The technical result is achieved due to the fact that in the device (Fig. 1), which is a light source 1, two transparent plane-parallel and parallel to each other windows 3 and 5, between which there is a medium 4 with a time-variable refractive index, Foucault knife 7 , a slit 8 perpendicular to the edge of the Foucault knife, a light recorder 9, a storage device 10, it is new that the angle of incidence α 1 of the light beam on the input window 3 is greater than zero and that the edge of the Foucault knife is parallel to the direction of motion of the inhomogeneity.

На рис.1 представлена схема устройства и положение луча света в исходном состоянии.Fig. 1 shows a diagram of the device and the position of the light beam in the initial state.

В исходном состоянии среда слева от окна 3 однородна и имеет коэффициент преломления света n1, окна 3 и 5 однородны, плоскопараллельны и имеют равные коэффициенты преломления света n2, исследуемая среда 4 однородна и имеет коэффициент преломления света n3, среда справа от окна 5 однородна и имеет коэффициент преломления света n1. Входящий монохроматический однородный луч света 2 лежит в плоскости рисунка 1.In the initial state, the medium to the left of window 3 is homogeneous and has a light refractive index n 1 , windows 3 and 5 are homogeneous, plane-parallel and have equal light refractive indices n 2 , the medium 4 is homogeneous and has a light refractive index n 3 , the medium to the right of window 5 homogeneous and has a light refractive index n 1 . The incoming monochromatic uniform beam of light 2 lies in the plane of Figure 1.

При этих условиях для углов падения и углов преломления луча справедливы соотношенияUnder these conditions, for the angles of incidence and the angles of refraction of the beam, the relations

Figure 00000001
,
Figure 00000002
,
Figure 00000001
,
Figure 00000002
,

отсюда следует, что sinα1=sinα4, а следовательно, α14 и поэтому выходящий луч параллелен входящему лучу.it follows that sinα 1 = sinα 4 , and therefore, α 1 = α 4 and therefore the output beam is parallel to the incoming beam.

Часть выходящего луча 6 по высоте задерживается ножом Фуко 7, а оставшаяся часть проходит дальше и падает на щель 8, которая ограничивает луч по ширине, затем луч попадает на фотоприемник 9 (например, ФЭУ), далее сигнал запоминается с помощью запоминающего устройства 10 (например, осциллограф). Кромку ножа Фуко обычно устанавливается в положение, при котором нож задерживает половину выходящего луча.Part of the output beam 6 in height is delayed by a Foucault knife 7, and the rest passes further and falls on a slit 8, which limits the beam in width, then the beam enters the photodetector 9 (for example, PMT), then the signal is stored using memory device 10 (for example , oscilloscope). The edge of the Foucault knife is usually set in a position in which the knife delays half the output beam.

Все углы отклонения можно выразить через параметры устройства и величину угла падения α1:All deviation angles can be expressed in terms of the device parameters and the angle of incidence α 1 :

α 2 = arcsin ( n 1 n 3 sin α 1 ) )

Figure 00000003
, α 2 = arcsin ( n one n 3 sin α one ) )
Figure 00000003
,

Figure 00000004
Figure 00000004

Выходящий луч имеет параллельное смещение в плоскости рис.1 относительно входящего луча. Величина этого смещения зависит от n2, толщины l окон, n3 и расстояния L между внутренними поверхностями окон. Вычислим вклад в это смещение, которое дает среда 4. Отклонение от перпендикуляра к поверхности окна, даваемое средой 4: Δ y 1 = L t g ( α 2 ) Δ y 1 = L t g ( arcsin ( n 1 n 3 sin α 1 ) )

Figure 00000005
The output beam has a parallel displacement in the plane of Fig. 1 relative to the incoming beam. The magnitude of this offset depends on n 2 , the thickness l of the windows, n 3 and the distance L between the inner surfaces of the windows. Let us calculate the contribution to this displacement, which is made by medium 4. The deviation from the perpendicular to the window surface given by medium 4: Δ y one = L t g ( α 2 ) Δ y one = L t g ( arcsin ( n one n 3 sin α one ) )
Figure 00000005

Смещение от перпендикуляра к поверхности окна, даваемое выходным окном:The offset from the perpendicular to the surface of the window, given by the output window:

Δ y 2 = l t g ( α 3 ) Δ y 2 = l t g ( arcsin ( n 1 n 3 sin α 1 ) )

Figure 00000006
, Δ y 2 = l t g ( α 3 ) Δ y 2 = l t g ( arcsin ( n one n 3 sin α one ) )
Figure 00000006
,

является константой при постоянном α1.is a constant with constant α 1 .

Полное смещение выходящего луча относительно входящего, при условии, что толщина входного и выходного окна равны:The total offset of the output beam relative to the incoming, provided that the thickness of the input and output windows are equal to:

Δ y = Δ y 1 + 2 Δ y 2 Δ y = L t g ( arcsin ( n 1 n 3 sin α 1 ) )

Figure 00000007
Δ y = Δ y one + 2 Δ y 2 Δ y = L t g ( arcsin ( n one n 3 sin α one ) )
Figure 00000007

Δ y = L t g ( arcsin ( n 1 n 3 sin α 1 ) ) + 2 l t g ( arcsin ( n 1 n 3 sin α 1 ) )

Figure 00000008
. Δ y = L t g ( arcsin ( n one n 3 sin α one ) ) + 2 l t g ( arcsin ( n one n 3 sin α one ) )
Figure 00000008
.

Смещение луча, зависящее от изменения n3, определяется первым слагаемым, второе слагаемое необходимо учитывать при конструировании установки. Таким образом, зависимость смещения луча от n3 определяется выражением:The beam offset, depending on the change in n 3 , is determined by the first term, the second term must be taken into account when designing the installation. Thus, the dependence of the beam offset on n 3 is determined by the expression:

Δ y = L t g ( arcsin ( n 1 n 3 sin α 1 ) )

Figure 00000009
Δ y = L t g ( arcsin ( n one n 3 sin α one ) )
Figure 00000009

На рис.2 показан вид сверху на схему устройства и движение луча света.Figure 2 shows a top view of the device diagram and the movement of the light beam.

На рис.3 показано положение луча при увеличении n3 - коэффициента преломления исследуемой среды 4. В этом случае уменьшился угол α2 отклонения луча в среде 4 и большая часть луча задержалась ножом Фуко.Figure 3 shows the position of the beam with an increase in n 3 , the refractive index of the medium being studied 4. In this case, the angle α 2 of the beam deflection in medium 4 decreased and most of the beam was delayed by the Foucault knife.

В общем случае, при смещении луча нож Фуко будет задерживать большую или меньшую часть луча, и таким образом сигнал фотоприемника будет коррелировать с изменением показателя преломления исследуемой среды 4. Изменяя ширину щели, можно регулировать толщину слоя исследуемого вещества, из которого поступает свет в фотоприемник.In the general case, when the beam is shifted, the Foucault knife will delay a larger or smaller part of the beam, and thus the photodetector signal will correlate with a change in the refractive index of the medium being studied 4. By changing the width of the slit, it is possible to adjust the thickness of the layer of the studied substance from which light enters the photodetector.

Для малых углов α1 имеем: α1≈sinα1≈tgα1, For small angles α 1 we have: α 1 ≈sinα 1 ≈tgα 1 ,

поэтомуso

Δ y = L t g ( arcsin ( n 1 n 3 sin α 1 ) ) L α 1 n 1 n 3

Figure 00000010
. Δ y = L t g ( arcsin ( n one n 3 sin α one ) ) L α one n one n 3
Figure 00000010
.

При изменении n3 от n31 до n32 изменение Δy будет:With a change in n 3 from n 31 to n 32, a change in Δy will be:

Δ y 1 Δ y 2 = L α 1 n 1 n 31 L α 1 n 1 n 32 = L α 1 n 1 ( n 32 n 31 n 31 n 32 )

Figure 00000011
, Δ y one - Δ y 2 = L α one n one n 31 - L α one n one n 32 = L α one n one ( n 32 - n 31 n 31 n 32 )
Figure 00000011
,

и если относительное изменение n3 мало, можем записать:and if the relative change in n 3 is small, we can write:

Figure 00000012
Figure 00000012

Приведенные выше соотношения показывают, что существует корреляция между сигналом фотоприемника и изменением показателя преломления в среде.The above relations show that there is a correlation between the photodetector signal and the change in the refractive index in the medium.

Заявляемое устройство отличается четырьмя отличительными признаками, влияющими на достижение технического результата.The inventive device has four distinctive features that affect the achievement of a technical result.

Первый - щель фотоприемника располагается перпендикулярно градиенту показателя преломления исследуемой среды.First, the slit of the photodetector is perpendicular to the gradient of the refractive index of the medium under study.

Второй - кромка ножа Фуко расположено параллельно градиенту показателя преломления исследуемой среды.The second - the edge of the Foucault knife is parallel to the gradient of the refractive index of the investigated medium.

Третий - смещение луча зависит не от градиента показателя преломления, а от показателя преломления исследуемой среды.Third, the beam displacement does not depend on the gradient of the refractive index, but on the refractive index of the medium under study.

Четвертый - устройство очень простое в изготовлении и наладке.Fourth, the device is very simple to manufacture and set up.

Claims (1)

Устройство для измерения показателя преломления отдельных сечений исследуемой среды содержит источник монохроматического излучения, два прозрачных плоскопараллельных окна, между которыми находится исследуемая среда, нож Фуко, регулируемую по ширине щель, перпендикулярную кромке ножа Фуко, фотоприемник, запоминающее устройство, отличающееся тем, что угол падения луча света на входное окно больше нуля и кромка ножа Фуко расположена параллельно направлению движения неоднородности или градиенту изменения показателя преломления. A device for measuring the refractive index of individual cross sections of a test medium contains a monochromatic radiation source, two transparent plane-parallel windows between which the test medium is located, a Foucault knife, a slit width adjustable perpendicular to the edge of the Foucault knife, a photodetector, a storage device, characterized in that the angle of incidence of the beam the light on the input window is greater than zero and the edge of the Foucault knife is parallel to the direction of motion of the inhomogeneity or gradient of change in the refractive index.
RU2013113900/28A 2013-03-28 2013-03-28 Device to measure index of refraction of separate cross sections of investigated medium during non-stationary processes RU2548924C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013113900/28A RU2548924C2 (en) 2013-03-28 2013-03-28 Device to measure index of refraction of separate cross sections of investigated medium during non-stationary processes

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013113900/28A RU2548924C2 (en) 2013-03-28 2013-03-28 Device to measure index of refraction of separate cross sections of investigated medium during non-stationary processes

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013113900A RU2013113900A (en) 2014-10-10
RU2548924C2 true RU2548924C2 (en) 2015-04-20

Family

ID=53289672

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013113900/28A RU2548924C2 (en) 2013-03-28 2013-03-28 Device to measure index of refraction of separate cross sections of investigated medium during non-stationary processes

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2548924C2 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4784494A (en) * 1986-12-31 1988-11-15 Anthony R. Torres Method and apparatus for detecting universal and selectively concentration gradients, and for deflecting a light beam in a controlled fashion
SU1277551A1 (en) * 1985-03-05 1991-12-23 Специальное Конструкторское Бюро Ан Эсср Device for measuring optical irreqularities
RU2269764C1 (en) * 2004-04-26 2006-02-10 Открытое акционерное общество "ЛОМО" Color system for determining values and directions of beams deflection angles

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1277551A1 (en) * 1985-03-05 1991-12-23 Специальное Конструкторское Бюро Ан Эсср Device for measuring optical irreqularities
US4784494A (en) * 1986-12-31 1988-11-15 Anthony R. Torres Method and apparatus for detecting universal and selectively concentration gradients, and for deflecting a light beam in a controlled fashion
RU2269764C1 (en) * 2004-04-26 2006-02-10 Открытое акционерное общество "ЛОМО" Color system for determining values and directions of beams deflection angles

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Fujita K., Sato, S., Abe T., Ebinuma Y. Experimental Investigation of Air Radiation from Behind a Strong Shock Wave, Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol.16, N1, 2002, pp.77-82. Васильев Л. А. Теневые методы, М., Наука, 1968, с.61. *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013113900A (en) 2014-10-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106403830B (en) The precision improvement method and apparatus of ellipsometer measurement ultra-thin film layers
Consortini et al. Measuring inner scale of atmospheric turbulence by angle of arrival and scintillation
US20220252497A1 (en) Method and system for measuring refractive index of particle sample by using polarization difference of scattered light distribution
CN109060659A (en) A kind of detection system and detection method of optical element surface defect three-dimensional information
CN110709204B (en) System and method for measuring curvature radius and thermal expansion of small sample in real time
JP2008076159A (en) Method and device for inspecting internal defect
US20180321148A1 (en) Light reflection imaging method for acquiring optical parameters and microstructures of tissues in a large area
JP2016502075A (en) Determining film thickness, refractive index, and extinction coefficient for real-time film strain determination and defect dimension measurement
RU2548924C2 (en) Device to measure index of refraction of separate cross sections of investigated medium during non-stationary processes
CN106840002B (en) Non-contact type plate glass thickness and refractive index measuring device and method
CN108106714A (en) The dynamic photoelasticity ultrasonic quantitative measuring device and method of a kind of high stability
CN103983344B (en) A kind of method for quantitative measuring of ultrasonic grating position phase amplitude
Azbukin et al. Determination of calibration parameters of an optoelectronic precipitation gage
RU2625264C2 (en) Method for describing object characteristics comprising, at least, locally symmetry plane
US20210088513A1 (en) Method and apparatus for bacterial analysis
Pavlov et al. Laser visualizer of inhomogeneities in near-wall layers of a liquid
Oliveira et al. Film thickness and wave velocity measurement using reflected laser intensity
CN108490518A (en) A kind of novel prism
Shepard et al. Measurement of internal stress in glass articles
US9823192B1 (en) Auto-calibration surface plasmon resonance biosensor
JP7342223B2 (en) Optical inspection equipment and method
Antoshkin et al. Path-averaged differential meter of atmospheric turbulence parameters
US20170212045A1 (en) Particle analyzer, particle analysis method, and particle analysis program
US9316604B1 (en) Method and apparatus for non-destructively determining features in a planar specimen
CN111780721B (en) Laser beam splitter grid line perpendicularity detection device and detection method

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160329