ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использована в натурных энергетических установках для изучения нестационарных процессов распыливания топлива и количественного изучения структуры и дисперсности топливного факела, в гидродинамике для изучения массообмена между твердой фазой и жидкой средой при создании новых химических технологий, в механике высокоскоростного разрушения твердых материалов при их сквозном разрушении и определении при этом пространственного распределения частиц в двухфазном потоке и в других аналогичных областях.
Известен голографический интерферометр (см. Черных В.Т., Черных Г.С., БорисовА. Н., Тукшаитов Р.Х. Патент полезн. модели №123136 от 20.12.2012 г. Бюл. №35, 2012 г.), содержащий лазер, светоделитель для образования опорной и объектной ветвей, коллиматоры опорной и объектной ветвей, систему зеркал, установленных вдоль опорной и объектной ветвей, рабочую зону, проекционный объектив и узел регистрации голограммы.
Известен также голографический интерферометр (см. Черных В.Т., Черных Г.С. Патент полезн. модели №140575 от 09.04.2014 г. Бюл. №13, 2014 г.), содержащий лазер, коллиматор, светоделитель для разделения лазерного пучка на объектный пучок и первый опорный пучок, зеркало первого опорного пучка, проекционный объектив, рабочую зону и узел регистрации голограммы.
Наиболее близким техническим решением является голографический интерферометр (см. Черных В.Т., Белозеров А.Ф. Авторское свидетельство №469882 от 14.01.1975 г. Бюл. №17 1975 г. - прототип), содержащий источник когерентного излучения, светоделительную пластину, оптическую систему для формирования опорного и сигнального (объектного) пучков, периодическую структуру перед объектом, например, дифракционную решетку и регистрирующую среду.
Недостатком известных голографических интерферометров является ограниченные технологические возможности при количественном измерении тонкой пространственной структуры нестационарного процесса поскольку за время одного эксперимента не представляется возможным фиксировать изменение процесса в разные моменты времени. За счет этого также вносится существенная погрешность в топографические измерения параметров нестационарного процесса.
Однако на практике существует целый спектр задач, предусматривающих изучение нестационарных объектов слабо изменяющихся во времени и реальное решение их требует создание голографических интерферометров, позволяющих за время одного опыта получать серию голографических интерферограмм, соответствующих разным моментам времени развития нестационарного процесса.
Задачей предлагаемой полезной модели является разработка голографического интерферометра, в котором устранены недостатки аналогов и прототипа.
Техническим результатом является расширение технологической возможности голографического интерферометра при изучении нестационарных процессов за счет обеспечения возможности получения голографических интерферограмм, соответствующих разным временным стадиям развития единого процесса и повышения, за счет этого, точности измерения параметров объекта.
об1
оп1
оп1
оп2
оп3
оп4
оп1
оп1
оп2
оп3
оп4
оп1
оп2
оп3
оп4
Технический результат достигается тем, что в голографическом интерферометре, содержащем когерентный источник излучения, коллиматор, первый светоделитель для формирования объектного пучка W и первого опорного пучка W, первое отражательное зеркало, установленное в первом опорном пучке W, рабочую зону, объектив и узел регистрации голограммы, отличающийся тем, что он дополнительно содержит второй и третий светоделители, второе и третье отражательные зеркала, первый, второй и третий непрозрачные экраны, при этом второй и третий светоделители, формирующие второй W, третий W, и четвертый W опорные пучки, установлены в первом опорном пучке W, между первым светоделителем и первым отражательным зеркалом, под углом к оптической оси первого опорного пучка W, а второе и третье отражательные зеркала установлены между вторым и третьим светоделителями и узлом регистрации голограммы, с возможностью последовательного наложения опорных пучков W, W, и W на объектный пучок W в плоскости узла регистрации голограммы, при этом первый, второй и третий непрозрачные экраны установлены соответственно, во втором W, третьем W и четвертом W опорных пучках с возможностью их ввода - вывода из рабочего положения.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых представлена принципиальная схема оптической системы голографического интерферометра (фиг. 1) и схема восстановления волновых фронтов с голограммы (фиг. 2).
Цифрами на чертеже (фиг. 1) обозначены:
1 - лазер (когерентный источник излучения),
2 - отрицательная линза коллиматора,
3 - объектив коллиматора,
4 - первый светоделитель,
5 - рабочая зона,
6 - проекционный объектив,
7 - узел регистрации голограммы,
8 - второй светоделитель,
9 - второе отражательное зеркало,
10 - третий светоделитель,
11 - третье отражательное зеркало,
12 - первое отражательное зеркало,
13, 14, 15 – первый, второй и третий непрозрачные экраны соответственно.
Цифрами на чертеже (фиг. 2) обозначены:
в
16 - восстанавливающий пучок W,
17 - голограмма,
1
18 - голографическая интерферограмма, соответствующая моменту времени t,
2
19 - голографическая интерферограмма, соответствующая моменту времени t,
3
20 - голографическая интерферограмма, соответствующая моменту времени t.
Голографический интерферометр содержит оптически связанные лазер 1, коллиматор, состоящий из отрицательной линзы 2 и объектива 3, первый светоделитель 4 для образования первого опорного пучка и первого объектного пучка, рабочую зону 5, проекционный объектив 6, узел регистрации голограммы 7, второй светоделитель 8 и второе отражательное зеркало 9 для формирования второго опорного пучка, третий светоделитель 10 и третье отражательное зеркало 11 для формирования третьего опорного пучка, первое отражательное зеркало 12 для формирования четвертого опорного пучка, непрозрачные экраны 13, 14, 15, установленные во втором, третьем и четвертом опорных пучках соответственно.
оп1
Отличием предлагаемого голографического интерферометра является то, что система светоделителей в виде второго 8 и третьего 10 установлена в первой опорной ветви W.
оп1
Система светоделителей в виде второго 8 и третьего 10 установлены под углом к оптической оси первой опорной ветви W.
Между вторым 8 и третьим 10 светоделителями и узлом регистрации голограммы 7 установлены отражательные зеркала 9 и 11.
Во второй, третьей и четвертой опорных ветвях голографического интерферометра установлены непрозрачные экраны 13, 14, 15 с возможностью их ввода - вывода из рабочего положения.
Принцип действия предлагаемого голографического интерферометра заключается в следующем.
оп1
об1
об1
Когерентное излучение от лазера 1 поступает в коллиматор, состоящий из отрицательной линзы 2 и объектива 3, на выходе которого формируется пучок параллельных световых лучей. Далее этот пучок падает на первый светоделитель 4, посредством которого делится на первый опорный пучок W и первый объектный пучок W. Первый объектный пучок W далее проходит сквозь рабочую зону 5, проекционный объектив 6 и достигает узла регистрации голограммы 7. Проекционный объектив 6 сопрягает плоскость объекта 5 с плоскостью узла регистрации голограммы 7. За счет этого достигают четких границ изображения исследуемого объекта, что весьма важно при анализе микроструктуры объекта, каким, например, является диффузионный пограничный слой.
оп1
об2
оп2
1
об1
Отраженный от первого светоделителя 4 световой пучок W падает на второй светоделитель 8 и, отразившись от него, служит вторым опорным пучком W. С помощью второго отражательного зеркала 9 пучок W направляется под углом θ на узел регистрации голограммы 7, где налагается на первый объектный пучок W.
оп3
2
об1
Пучок, прошедший сквозь второй светоделитель 8 достигает третьего светоделителя 10 и, отразившись от него, выполняет роль третьего опорного пучка W направляется под углом θ в плоскость регистрации голограммы 7, где налагается на первый объектный пучок W.
оп4
оп4
3
об1
Световой пучок, прошедший сквозь светоделитель 10, служит четвертым опорным пучком W. С помощью первого отражательного зеркала 12 пучок Wнаправляется под углом θ в плоскость узла регистрации голограммы 7, где он налагается на первый объектный пучок W.
оп2
оп3
оп4
оп2
оп3
оп4
В каждом опорном пучке W, W и W установлены перпендикулярно к оптическим осям непрозрачные экраны 13, 14 и 15 соответственно. В рабочем положении экраны 13, 14 и 15 выводятся из опорных пучков W, W и W.
Голограмму нестационарного процесса регистрируют двухэкспозиционным методом.
Во время первых трех экспозиций, разделенных во времени, исследуемый объект в рабочей зоне 5 отсуствует.
об1
оп2
оп2
оп3
оп4
оп2
При первой экспозиции в плоскости 7 интерферируют только первый объектный пучок W и второй опорный пучок W. При этом непрозрачный экран 13 выведен из второго опорного пучка W, а в опорных пучках W и W введены непрозрачные экраны 14 и 15. После записи первой голограммы в опорный пучок W вводят непрозрачный экран 13.
оп3
оп2
оп4
об1
оп3
оп3
Далее из третьего опорного пучка W выводят экран 14. При этом в опорные пучки W и W введены экраны 13 и 15. В плоскости регистрации 7 записывают голограмму при суперпозиции пучков W и W. После экспозиции в опорный пучок W вводят экран 14.
оп4
оп2
оп3
об1
оп4
оп4
Для записи третьей голограммы из четвертого опорного пучка W выводят непрозрачный экран 15. При этом в опорные пучки W и W введены непрозрачные экраны 13 и 14. В плоскости узла 7 регистрируют голограмму при интерференции первого объектного пучка W и четвертого опорного пучка W. После экспозиции в четвертый опорный пучок W вводят непрозрачный экран 15.
Далее в рабочую зону 5 устанавливают объект исследования, являющийся нестационарным процессом, например, изучают набухание гранул каучука, активированных каким-либо металлом, в толуоле.
оп2
оп3
оп4
об1
об2
об3
об4
1
2
3
Вторую экспозицию выполняют также в три этапа, с теми же опорными пучками W, W и W, но при этом первый объектный пучок W будет уже соответствовать трем стадиям развития нестационарного процесса и пучки, прошедшие сквозь него можно представить в виде трех объектных пучков: W', Wʺ и Wʺ'. Каждый из этих пучков будет характеризоваться своими фазовыми изменениями, вносимыми исследуемым процессом в моменты времени t, t и t.
оп2
об2
об2
1
При записи первой объектной голограммы в плоскости узла регистрации 7 будут интерферировать второй опорный пучок W и объектный пучок W'.Причем пучок W' характеризует состояние процесса на стадии его развития в момент времени t.
оп3
об3
об3
2
При записи второй объектной голограммы будут интерферировать третий опорный пучок W и объектный пучок W'. Деформация волнового фронта W'будет соответствовать состоянию процесса в момент времени t.
оп4
об4
об4
3
При регистрации третьей объектной голограммы будут интерферировать четвертый опорный пучок W и объектный пучок W'. Деформация волнового фронта объектного пучка W' будет определяться состоянием нестационарного процесса в момент времени t от его начала.
После выполнения двух этапов, на каждом из которых выполняется запись трех голограмм без объекта исследования и с объектом в рабочей зоне 5, регистрирующая среда 7 подвергается фотохимической обработке. Полученная голограмма используется для восстановления волновых фронтов - получения голографических интерферограмм нестационарного процесса.
в
1д
2д
3д
oп2
оп3
оп4
об2
об3
об4
1
2
3
оп1
Восстановление волновых фронтов с голограммы изображено на фиг. 2. Голограмму 17 просвечивают коллимированным световым пучком W 16, падающим по нормали к ее поверхности. В направлениях дифрагированных углов θ, θ и θ восстанавливаются эталонные пучки W, W и W и объектные пучки W', Wʺ, Wʺ'. При суперпозиции этих волновых фронтов образуются голографические интерферограммы 18, 19 и 20. Каждая из интерференционных картин характеризует развитие нестационарного процесса в разные моменты времени t, t и t от начала его возникновения. В случае, если требуется регистрация голограмм развивающегося процесса и в последующие моменты времени, то вдоль оптической оси первого опорного пучка W должно быть установлено более двух светоделительных элементов.
Таким образом, предлагаемый голографический интерферометр позволяет изучать нестационарные процессы, не вмешиваясь в их физико-химические явления, что расширяет его технологические возможности и повышает точность измерений параметров исследуемого процесса, а также упрощает интерпретацию экспериментальных результатов.