RU2557374C1

RU2557374C1 - Способ голографической визуализации быстропротекающих процессов

Info

Publication number: RU2557374C1
Application number: RU2014115742/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Тимофеевич Черных; Галина Сергеевна Черных
Priority date: 2014-04-18
Filing date: 2014-04-18
Publication date: 2015-07-20

Abstract

Изобретение относится к способу голографической визуализации быстропротекающих процессов - двухфазных потоков «твердые частицы - газ». При реализации способа посредством оптических элементов создают два объектных и два опорных пучка. Первый объектный пучок проходит сквозь поток, а второй - диффузно отражается, например, от поверхности тела, движущегося в потоке. Первая голограмма, полученная при помощи первого объектного пучка, обеспечивает возможность изучения структуры двухфазного потока. Вторая голограмма, полученная при помощи второго объектного пучка, позволяет оценить состояние поверхности объекта. Регистрация двух голограмм производится одновременно. Технический результат заключается в обеспечении регистрации за время одной экспозиции двух голограмм, одна из которых соответствует просвечиванию исследуемого объекта, а вторая - диффузному отражению от него. 1 ил.

Description

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для изучения двухфазных потоков «твердые частицы - газ» в экспериментальной газовой динамике для исследования структуры потока частиц, образующихся в запреградной зоне при взаимодействии движущегося тела с преградой, в механике разрушения твердых тел, при обтекании движущихся тел в условиях баллистических установок, для диагностики факелов в энергетических топках котлов и в других областях.

Известен способ визуализации быстропротекающих процессов, реализованный голографическим устройством (Поляков С.Н., В.Т. Черных. Голографический метод диагностики двухфазных потоков при высокоскоростном разрушении твердых материалов. Известия СО АНСССР, серия технических наук, вып. 4, 1990 г., с. 136-139), содержащим лазер, осветительные и приемные части объектных ветвей, выполненные на основе сферических зеркал, коллиматоры опорных ветвей, установленные между рабочей зоной и узлом регистрации голограммы, и собственно узел голограммы.

Известен также способ визуализации быстропротекающих процессов, реализованный голографическим устройством (В.Т. Черных, А.Ф. Белозеров. Авторское свидетельство SU №469882, МПК G01B 9/02, 05.05.1975), содержащим источник когерентного излучения, светоделительную пластину, оптическую систему с возможностью формирования опорной и объектной ветвей, дифракционный элемент перед исследуемым объектом и узел регистрации голограммы.

Прототипом является способ визуализации быстропротекающих процессов, реализованный голографическим устройством (Исследование движения тела в двухфазных потоках голографическом методом /Духовский И.А., Ковалев П.И., Разумовская А.И., Черных В.Т. Оптика и спектроскопия, т. 63, вып. 5, сс. 1105-1108, 1987 г.), содержащим лазер, светоделитель для образования опорной и объектной ветвей, коллиматоры с возможностью формирования световых полей, систему зеркал, установленных вдоль оптических осей объектной и опорной ветвей, рабочую зону, проекционный объектив и узел регистрации голограммы.

Недостатком известных способов визуализации быстропротекающих процессов являются ограниченные технологические возможности голографической визуализации структуры двухфазного потока при изучении ансамбля частиц, образующегося при взаимодействии тела, движущегося с большой скоростью, с преградой, а также невозможность получения информации о состоянии поверхности движущегося тела, обусловленные тем, что посредством известных способов за время одного эксперимента визуализируют поток только в одном направлении просвечивания.

Однако на практике представляет несомненный интерес получение сведений не только о внутренней структуре двухфазного потока (размер частиц, их форма и т.д.), но и о состоянии поверхности движущегося тела.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей при голографическом изучении структуры двухфазного потока и состояния поверхности движущегося тела в этом потоке за счет обеспечения возможности, за время одной экспозиции, регистрации двух голограмм, одна из которых соответствует просвечиванию исследуемого объекта прямопрошедшим объектным пучком, а другая соответствует диффузно отраженному объектному пучку

Технический результат достигается тем, что в способе топографической визуализации быстропротекающих процессов, по которому осуществляют регистрацию первой голограммы, причем первая голограмма соответствует просвечиванию исследуемого объекта первым объектным пучком, при этом когерентный световой пучок от лазера с помощью первой светоделительной пластины разделяют на первый объектный и первый опорный световые пучки, которые поступают, посредством первой системы зеркал и второй системы зеркал, соответственно, в первый и второй коллиматоры, первый объектный пучок проходит через рабочую камеру с исследуемым объектом, первый проекционный объектив, в котором осуществляют оптическое сопряжение рабочей зоны камеры с плоскостью узла регистрации первой голограммы, где интерферирует с первым опорным пучком, согласно настоящему изобретению за время одной экспозиции осуществляют регистрацию и второй голограммы, причем вторая голограмма соответствует диффузно отраженному второму объектному пучку, при этом в первом объектном пучке между первым коллиматором и рабочей камерой устанавливают вторую светоделительную пластину под углом к оптической оси, первый объектный пучок проходит через вторую светоделительную пластину и, достигая поверхности исследуемого объекта, находящегося в рабочей камере, рассеивается на ее поверхности, далее рассеянный на поверхности исследуемого объекта пучок в обратном ходе поступает на вторую светоделительную пластину и второй проекционный объектив, который устанавливают между второй светоделительной пластиной и узлом регистрации второй голограммы, и в котором осуществляют оптическое сопряжение рабочей зоны камеры с плоскостью узла регистрации второй голограммы, во втором опорном пучке, отраженном от второй светоделительной пластины, устанавливают третью систему зеркал и третий коллиматор с возможностью формирования опорного пучка для регистрации второй голограммы, куда также поступает диффузно отраженный второй объектный пучок, при оптическом сопряжении второго опорного пучка и второго объектного пучка регистрируется вторая голограмма.

Сущность изобретения поясняется Фиг.1, где изображена принципиальная оптическая схема голографического устройства, реализующего предлагаемый способ голографической визуализации быстропротекающих процессов.

Цифрами на Фиг.1 обозначено:

1 - лазер,

2 - первая светоделительная пластина,

3, 4 - первая система зеркал,

5 - первый коллиматор,

6 - рабочая камера с исследуемым объектом,

7 - защитные окна рабочей камеры,

8 - первый проекционный объектив,

9 - узел регистрации первой голограммы,

10, 11, 12, 13 - вторая система зеркал,

14 - второй коллиматор,

15 - вторая светоделительная пластина,

16 - второй проекционный объектив,

17 - узел регистрации второй голограммы,

18, 19, 20, 21 - третья система зеркал,

22 - третий коллиматор,

W_об - первый объектный пучок,

W′_об - второй объектный пучок,

W_оп - первый опорный пучок,

W′_оп - второй опорный пучок.

Голографическое устройство содержит оптически связанные лазер 1, первую светоделительную пластину 2 для разделения лазерного пучка на первый объектный пучок W_об и первый опорный пучок W_оп, первый коллиматор 5, первую систему зеркал 3, 4 для ввода первого объектного пучка W_об в первый коллиматор 5, второй коллиматор 14, вторую систему зеркал 10, 11, 12, 13 для ввода первого опорного пучка W_оп во второй коллиматор 14, рабочую камеру 6 с исследуемым объектом, имеющей защитные окна 7, первый проекционный объектив 8, узел 9 регистрации первой голограммы, при этом первый коллиматор 5 установлен перед рабочей камерой 6, второй коллиматор 14 установлен между рабочей камерой 6 и узлом 9 регистрации первой голограммы, вторая система зеркал 10, 11, 12, 13 и второй коллиматор 14 установлены с возможностью формирования первого опорного пучка W_оп для регистрации первой голограммы, а первый проекционный объектив 8 установлен в первом объектном пучке W_об между рабочей камерой 6 и узлом 9 регистрации первой голограммы.

В голографическое устройство для изучения быстропротекающих процессов дополнительно введены вторая светоделительная пластина 15, второй проекционный объектив 16, узел 17 регистрации второй голограммы, третья система зеркал 18, 19, 20, 21 и третий коллиматор 22, при этом вторая светоделительная пластина 15 установлена под углом к оптической оси, с возможностью разделения первого объектного пучка W_об на второй объектный пучок W'_об, направление которого совпадает с первым объектным пучком W_об, и второй опорный пучок W'_оп, второй проекционный объектив 16 установлен между второй светоделительной пластиной 15 и узлом 17 регистрации второй голограммы, причем второй объектный пучок W'_об, достигая поверхности исследуемого объекта, диффузно рассеивается на его поверхности и поступает в обратном ходе на вторую светоделительную пластину 15 и во второй проекционный объектив 16, третья система зеркал 18, 19, 20, 21 и третий коллиматор 22 установлены с возможностью формирования второго опорного пучка W′_оп для регистрации второй голограммы, при этом устройство выполнено с возможностью регистрации, за время одной экспозиции, первой и второй голограмм, причем первая голограмма соответствует просвечиванию исследуемого объекта первым объектным пучком W_об, а вторая голограмма соответствует диффузно отраженному второму объектному пучку W′_об.

Способ голографической визуализации быстропротекающих процессов осуществляют следующим образом.

Когерентный световой пучок от лазера 1 с помощью первой светоделительной пластины 2 делится на первый объектный W_об и первый опорный W_оп световые пучки. Эти пучки поступают посредством первой системы зеркал 3, 4 и второй системы зеркал 10, 11, 12, 13, соответственно, в коллиматоры 5 и 14.

В первом объектном пучке W_об между первым коллиматором 5 и рабочей камерой 6 установлена вторая светоделительная пластина 15 под углом к оптической оси. Первый объектный пучок W_об проходит через вторую светоделительную пластину 15, рабочую камеру 6, первый проекционный объектив 8, который осуществляет оптическое сопряжение рабочей зоны камеры 6 с плоскостью узла 9 регистрации первой голограммы, и поступает в него, как прямопрошедший объектный пучок, где интерферирует с первым опорным пучком W_оп.

Прошедший сквозь вторую светоделительную пластину 15 первый объектный пучок W_об, достигая поверхности исследуемого объекта, находящегося в рабочей камере 6, рассеивается на ее поверхности. Рассеянный на поверхности исследуемого объекта пучок (диффузно отраженный второй объектный пучок W′_об) в обратном ходе поступает на вторую светоделительную пластину 15 и попадает в апертуру второго проекционного объектива 16. Объектив 16 сопрягает рабочую зону камеры 6 с плоскостью узла 17 регистрации второй голограммы.

Во второй опорный пучок W′_оп, отраженный от второй светоделительной пластины 15, установлены третья система зеркал 18, 19, 20, 21 и третий коллиматор 22, с возможностью формирования второго опорного пучка W′_оп для регистрации второй голограммы в узле 17, куда также поступает диффузно отраженный объектный пучок (второй объектный пучок W′_об). При суперпозиции второго опорного пучка W′_оп и второго объектного пучка W′_об в плоскости узла 17 регистрируется вторая голограмма.

Посредством предлагаемого голографического устройства появляется реальная возможность за время одной экспозиции регистрировать две голограммы, одна из которых соответствует просвечиванию исследуемого объекта прямопрошедшим первым объектным пучком W_об, а другая соответствует диффузно отраженному второму объектному пучку W′_об, что является весьма эффективным средством при изучении (измерении) быстропротекающих во времени объектов.

Восстановленный волновой фронт с первой голограммы дает возможность изучать структуру двухфазного потока (размер частиц, их форму, концентрацию и др.), а при реконструкции второй голограммы - оценивать состояние поверхности тела, движущегося, например, в том же потоке, но при наличии твердых частиц.

Таким образом, предлагаемое может найти применение при решении различных экспериментальных задач в физике горения, в баллистике, в газовой динамике, при изучении процессов смешения, воспламенения и горения компонент топлив в энергетических установках и в других областях.

Claims

Способ голографической визуализации быстропротекающих процессов, по которому осуществляют регистрацию первой голограммы, причем первая голограмма соответствует просвечиванию исследуемого объекта первым объектным пучком, при этом когерентный световой пучок от лазера с помощью первой светоделительной пластины разделяют на первый объектный и первый опорный световые пучки, которые поступают, посредством первой системы зеркал и второй системы зеркал, соответственно, в первый и второй коллиматоры, первый объектный пучок проходит через рабочую камеру с исследуемым объектом, первый проекционный объектив, в котором осуществляют оптическое сопряжение рабочей зоны камеры с плоскостью узла регистрации первой голограммы, где интерферирует с первым опорным пучком, отличающийся тем, что за время одной экспозиции осуществляют регистрацию и второй голограммы, причем вторая голограмма соответствует диффузно отраженному второму объектному пучку, при этом в первом объектном пучке между первым коллиматором и рабочей камерой устанавливают вторую светоделительную пластину под углом к оптической оси, первый объектный пучок проходит через вторую светоделительную пластину и, достигая поверхности исследуемого объекта, находящегося в рабочей камере, рассеивается на ее поверхности, далее рассеянный на поверхности исследуемого объекта пучок в обратном ходе поступает на вторую светоделительную пластину и второй проекционный объектив, который устанавливают между второй светоделительной пластиной и узлом регистрации второй голограммы и в котором осуществляют оптическое сопряжение рабочей зоны камеры с плоскостью узла регистрации второй голограммы, во втором опорном пучке, отраженном от второй светоделительной пластины, устанавливают третью систему зеркал и третий коллиматор с возможностью формирования опорного пучка для регистрации второй голограммы, куда также поступает диффузно отраженный второй объектный пучок, при оптическом сопряжении второго опорного пучка и второго объектного пучка регистрируется вторая голограмма.