Устройство для регистрации когерентного обратного рассеяния в дисперсных средах

Полезная модель относится к области оптики, а именно к технике регистрации эффекта когерентного обратного рассеяния в дисперсных средах.
В настоящее время для регистрации когерентного обратного рассеяния (КОР) используют различные установки, основанные на принципе измерения углового распределения обратного рассеяния. Основной принцип данных установок состоит в том, чтобы регистрировать свет, рассеянный по направлению строго назад по отношению к падающему излучению.
Известен способ регистрации когерентного обратного рассеяния, описанный в статье: Lenke R., Maret G. Multiple Scattering of Light: Coherent Backscattering and Transmission. – Scattering in polymeric and colloidal systems; pp.1–73, 2000. Установка для его реализации состоит из аргонового лазера, работающего в непрерывном режиме с выходной мощностью до 0,5 Вт, полуволновой пластины и линейного поляризатора, с помощью которых контролируется интенсивность лазерного луча, второй полуволновой пластины использующейся для поворота поляризации на 90°, линз, при помощи которых лазерный луч расширяется до диаметра порядка 15 мм, полупрозрачного зеркала клиновидной формы, CCD-камеры регистрирующей сигнал, диафрагмы и клиновидной кюветы с цилиндрическим образцом, на боковую поверхность которого попадает лазерный луч. Коллимированный и линейно поляризованный лазерный пучок подсвечивает образец через полупрозрачное зеркало. Обратно рассеянное излучение отводится зеркалом на CCD-камеру, с помощью которой регистрируется полезный сигнал.
Недостатком аналога является наличие кривизны поверхности у зондируемого образца, что может исказить регистрируемый сигнал.
Известна установка для регистрации когерентного обратного рассеяния, содержащая лазер, линзовый телескоп, детектор ПЗС, камеру, поляризатор, светоделитель, четвертьволновую пластинку, гаситель пучка, типовой держатель и вращательный электродвигатель; луч вышедший из лазера при помощи первой линзы сначала расширяется примерно в 10 раз, затем за счет второй линзы коллимируется, формирующая изображение линза помещается в качестве последнего оптического компонента в передней части детектора и фокусирует свет на детектор, давая, таким образом, распределение по углам на ПЗС-матрице, делительный кубик распределяет излучение в пропорции 50/50, половина излучения направляется на объект, половина – на поглотитель, обратно рассеянный свет преобразовывается обратно в линейно поляризованный с помощью четвертьволновой пластины, кювета с образцом закрепляется на оси вращения электродвигателя, рассеянное от вращающегося образца излучение возвращается на делительный кубик, и половина от него попадает в канал регистрации. D. Kroon, S. Lönn. Utilizing enhanced backscattering for determination of scattering properties in turbid media. – Lund Reports in Atomic Physics, PHYM01, 20111, 2011. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является невозможность плавной регулировки зондируемой толщины образца дисперсной среды. Толщина образца регулируется с помощью изменения числа дискретных слоёв.
Техническим результатом является возможность плавной регулировки зондируемой толщины образца дисперсной среды. Толщина образца регулируется с помощью смещения клиновидной кюветы.
1
2
3
4
5
6
7
8
Технический результат достигается тем, что устройство для регистрации когерентного обратного рассеяния в дисперсных средах, содержащее лазер подсветки, линзовый телескоп, полупрозрачное зеркало, поглотитель пучка, электродвигатель, поляризатор, длиннофокусную линзу и регистратор, содержит клиновидную кювету с образцом, зажим, цилиндрический стержень, втулку, вал и поворотное зеркало, при этом последовательно расположенные лазер подсветки, линзовый телескоп и поворотное зеркало, расположены на первой оптической оси, последовательно расположенные поворотное зеркало, полупрозрачное зеркало и поглотитель пучка расположены на второй оптической оси, последовательно расположенные полупрозрачное зеркало, поляризатор, длиннофокусная линза и регистратор расположены на третьей оптической оси, при этом первая и вторая ось перпендикулярны друг другу и пересекаются в геометрическом центре отражающей поверхности поворотного зеркала, плоскость которого расположена под углом 45° по отношению к первой оптической оси, вторая и третья ось перпендикулярны друг другу и пересекаются в геометрическом центре отражающей поверхности полупрозрачного зеркала, плоскость которого расположена под углом 45° по отношению ко второй оптической оси, первая и третья ось параллельны друг другу, при этом все три оси лежат в одной плоскости, расстояние L между выходной апертурой лазера подсветки и геометрическим центром входной апертуры линзового телескопа лежит в интервале от 5 до 20 см, расстояние Lмежду геометрическим центром выходной апертуры линзового телескопа и геометрическим центром поворотного зеркала лежит в интервале от 5 до 20 см, расстояние L между геометрическим центром поворотного зеркала и геометрическим центром полупрозрачного зеркала лежит в интервале 20–40 см, расстояние L между геометрическим центром полупрозрачного зеркала и геометрическим центром входной апертуры поглотителя пучка лежит в интервале 30–60 см, расстояние L между геометрическим центром полупрозрачного зеркала и плоскостью внутренней грани клиновидной кюветы с образцом лежит в интервале от 5 до 20 см, расстояние L между геометрическим центром полупрозрачного зеркала и геометрическим центром поляризатора лежит в интервале от 5 до 20 см, расстояние L между геометрическим центром поляризатора и геометрическим центром длиннофокусной линзы лежит в интервале от 5 до 20 см, расстояние L между геометрическим центром длиннофокусной линзы и плоскостью ПЗС-матрицы регистратора равно фокусному расстоянию длиннофокусной линзы, которое лежит в интервале от 20 до 100 см, кратность линзового телескопа лежит в интервале от 1,5 до 15, клиновидная кювета с образцом состоит из двух плоскопараллельных пластин из оптически прозрачного материала с длиной а и прокладки между ними c длиной Δa и толщиной b, соединенных так, что угол между плоскопараллельными пластинами равен α=b/(a-Δa), наибольшие грани ближайшей к электродвигателю пластины клиновидной кюветы параллельны торцам втулки и пересекаются с осью вала, клиновидная кювета с образцом механически соединена с зажимом, зажим вместе с соединённой с ним клиновидной кюветой с образцом может перемещаться вдоль цилиндрического стержня и фиксироваться прижимным винтом в выбранном месте, при этом ось, проходящая через геометрические центры торцов зажима, перпендикулярна оси цилиндрического стержня, и параллельна оси вала, который с одной стороны соединен с электродвигателем, а с другой с втулкой, при этом ось вращения электродвигателя образует с третьей оптической осью угол в интервале от 0 до 5°, элементы конструкции: лазер подсветки, линзовый телескоп, поворотное зеркало, полупрозрачное зеркало, поглотитель пучка, электродвигатель, поляризатор, длиннофокусная линза и регистратор располагаются на одной оптической плите.
Зажим может быть выполнен, например, в форме цилиндра или прямоугольной призмы, при этом ось, проходящая через геометрические центры его торцов, перпендикулярна оси цилиндрического стержня, и параллельна оси вала, который соединен с электродвигателем, при этом ось вращения электродвигателя образует с третьей оптической осью угол в интервале от 0 до 5°.
На фиг. 1 приведена схема устройства для регистрации когерентного обратного рассеяния в дисперсных средах, где:
1 – лазер подсветки, 2 – линзовый телескоп, 3 – поворотное зеркало, 4 – полупрозрачное зеркало, 5 – поглотитель пучка, 6 – клиновидная кювета с образцом, 7 – цилиндрический стержень, 8 – электродвигатель, 9 – поляризатор, 10 – длиннофокусная линза, 11 – регистратор, 12 – оптическая плита, 13 – вал, 14 – втулка, 15 – зажим.
На фиг. 2 приведен увеличенный вид клиновидной кюветы с образцом.
1
2
3
4
5
6
7
8
Устройство содержит лазер 1 подсветки, линзовый телескоп 2, поворотное зеркало 3, полупрозрачное зеркало 4, поглотитель 5 пучка, клиновидную кювету 6 с образцом, цилиндрический стержень 7, электродвигатель 8, поляризатор 9, длиннофокусную линзу 10, регистратор 11 и оптическую плиту 12, предназначенную для размещения всех элементов устройства, вал 13, втулку 14, зажим 15. Лазер подсветки 1, линзовый телескоп 2 и поворотное зеркало 3, расположены на первой оптической оси, поворотное зеркало 3, полупрозрачное зеркало 4 и поглотитель 5 пучка расположены на второй оптической оси, составляющей с первой осью угол 90 °, первая и вторая ось лежат в одной плоскости и пересекаются в геометрическом центре отражающей поверхности зеркала 3, полупрозрачное зеркало 4, поляризатор 9, длиннофокусная линза 10 и регистратор 11 расположены на третьей оптической оси, которая также перпендикулярна второй оптической оси и в то же время параллельна первой оптической оси, вторая и третья ось лежат в одной плоскости и пересекаются в геометрическом центре отражающей поверхности полупрозрачного зеркала 4, расстояние L между выходной апертурой лазера подсветки 1 и геометрическим центром входной апертуры линзового телескопа 2 лежит в интервале от 5 до 20 см, расстояние Lмежду геометрическим центром выходной апертуры линзового телескопа 2 и геометрическим центром поворотного зеркала 3 лежит в интервале от 5 до 20 см, расстояние L между геометрическим центром поворотного зеркала 3 и геометрическим центром полупрозрачного зеркала 4 лежит в интервале 20–40 см, расстояние L между геометрическим центром полупрозрачного зеркала 4 и геометрическим центром входной апертуры поглотителя 5 пучка лежит в интервале 30–60 см, расстояние L между геометрическим центром полупрозрачного зеркала 4 и плоскостью внутренней грани клиновидной кюветы 6 с образцом лежит в интервале от 5 до 20 см, расстояние L между геометрическим центром полупрозрачного зеркала 4 и геометрическим центром поляризатора 9 лежит в интервале от 5 до 20 см, расстояние L между геометрическим центром поляризатора 9 и геометрическим центром длиннофокусной линзы 10 лежит в интервале от 5 до 20 см, расстояние L между геометрическим центром длиннофокусной линзы 10 и плоскостью ПЗС-матрицы регистратора 11 равно фокусному расстоянию длиннофокусной линзы 10, которое лежит в интервале от 20 до 100 см, кратность линзового телескопа 2 лежит в интервале от 1,5 до 15, клиновидная кювета 6 с образцом, изображенная на фиг.2, состоит из двух плоскопараллельных пластин из оптически прозрачного материала с длиной а и прокладки между ними c длиной Δa и толщиной b, соединенных так, что угол между плоскопараллельными пластинами равен α=b/(a-Δa), продольные боковые грани плоскопараллельных пластин попарно параллельны, наибольшие грани ближайшей к электродвигателю 8 пластины клиновидной кюветы 6 с образцом параллельны торцам втулки 14 и пересекаются с осью вала 13, клиновидная кювета 6 с образцом механически соединена с зажимом 15, зажим 15 вместе с соединённой с ним клиновидной кюветой 6 с образцом может перемещаться вдоль цилиндрического стержня 7 и фиксироваться прижимным винтом в выбранном месте, при этом ось, проходящая через геометрические центры торцов зажима 15, перпендикулярна оси цилиндрического стержня 7, и параллельна оси вала 13, который с одной стороны соединен с электродвигателем 8, а с другой с втулкой 14, при этом ось вращения электродвигателя 8 образует с третьей оптической осью угол в интервале от 0 до 5°,поскольку в данном интервале обеспечивается оптимальный размер лазерного пятна на образце.
Устройство работает следующим образом.
Луч, вышедший из лазера 1 подсветки, попадает в линзовый телескоп 2, где регулируется расходимость и ширина пучка излучения подсветки. Поворотное зеркало 3 поворачивает луч на 90 °. Полупрозрачное зеркало 4 направляет излучение на объект и пропускает насквозь излучение, рассеянное от клиновидной кюветы 6 с образцом, зажим 15 вместе с соединённой с ним клиновидной кюветой 6 с образцом может перемещаться вдоль цилиндрического стержня 7 и фиксироваться прижимным винтом в выбранном месте. Зажим 15 может быть выполнен, например, в форме цилиндра или прямоугольной призмы, при этом ось, проходящая через геометрические центры его торцов, перпендикулярна оси цилиндрического стержня 7 и параллельна оси вала 13, при этом электродвигатель 8 приводит в движение вал 13, который начинает вращаться вместе с закрепленной на нем втулкой 14, в отверстии которой находится цилиндрический стержень 7. Механически соединённый с цилиндрическим стержнем 7 зажим 15 и механически соединённая зажимом 15 клиновидная кювета 6 с образцом начинают совершать обороты вокруг оси вала 13. При повороте клиновидной кюветы 6 в течении времени экспозиции кадра происходит многократное суммирование спекловых картин, что приводит к слиянию их в относительно незашумленное спеклами изображение. Зажим 15 с прикреплённой к нему клиновидной кюветой 6 с образцом может перемещаться вдоль цилиндрического стержня 7 и фиксироваться прижимным винтом в выбранном месте, меняя тем самым толщину зондируемого слоя клиновидной кюветой 6 с образцом. Поглотитель 5 пучка устраняет прошедшее насквозь излучение, поляризатор 9 отсекает деполяризованную часть рассеянного излучения. Объектив регистратора 11 настраивался на фокальную плоскость длиннофокусной линзы 10 и переносил из неё изображение на ПЗС-матрицу регистратора 11, где происходит преобразование световых сигналов в электрические и считывание углового распределения, интенсивность полезного сигнала регулировалась изменением мощности излучения подсветки и времени экспозиции регистратора 11. Элементы конструкции: лазер подсветки 1, линзовый телескоп 2, поворотное зеркало 3, полупрозрачное зеркало 4, поглотитель пучка 5, электродвигатель 8, поляризатор 9, длиннофокусная линза 10 и регистратор 11 располагаются на одной оптической плите 12.
В качестве лазера 1 подсветки был использован неодимовый лазер dtl-317, работающий на второй гармонике (532 нм), в качестве поворотного зеркала 3 использовалось зеркало 14-AM1 фирмы STANDA, в качестве полупрозрачного зеркала 4 можно использовать лазерный светоделитель из стекла BK7 фирмы «Специальные системы», в качестве поляризатора 9 был использован поляризатор 14PBT-1-532-2 фирмы STANDA, в качестве регистратора 11 была использована матрица CMV-20000 фирмы CMOSIS, в качестве поглотителя 5 пучка был использован блокиратор пучка 10BD01 фирмы STANDA, в качестве линзового телескопа 2 была использована система из двух линз из набора линз 14LK-1-1 фирмы STANDA, в качестве длиннофокусной линзы 10 была использована линза из набора линз 14LK-1-1 фирмы STANDA, в качестве вала 13 может быть использован металлический стержень, например, диаметром 0,4 см, в качестве втулки 14 может быть использован цилиндр, например, из алюминия Д-16 диаметром 1 см, в ближнем торце которого имеется выемка с резьбой для крепления вала 13 и отверстие для цилиндрического стержня 7 в боковой части, в качестве цилиндрического стержня 7 может быть использован, например, стальной стержень диаметром 0,5 см, зажим 15, например, может быть выполнен в форме цилиндра, прямоугольной призмы или стержня с отверстием на боковой поверхности, в качестве клиновидной кюветы 6 с образцом может быть использованы две плоскопараллельные пластины из оргстекла или другого оптически прозрачного материала, скрепленные винтами M2 между которыми зажата прокладка из оргстекла, в качестве электродвигателя 8 был использован электродвигатель 25GA370 DC12V130RPM, в качестве оптической плиты 12, была использована оптическая плита 1HT10-20-20 фирмы STANDA.
1
2
3
4
5
6
7
8
Расстояние L между выходной апертурой лазера 1 подсветки и геометрическим центром входной апертуры линзового телескопа 2 обусловлено особенностью конструкции линзового телескопа 2. Экспериментально установленное оптимальное расстояние лежит в интервале от 5 до 20 см. Верхний предел расстояния обусловлен размерами оптической плиты 12, нижний предел ограничен необходимостью обеспечения доступа к элементам оптической системы. Экспериментально установленное оптимальное расстояние L между геометрическим центром выходной апертуры линзового телескопа 2 и геометрическим центром поворотного зеркала 3 лежит в интервале от 5 до 20 см. Верхний предел расстояния обусловлен размерами оптической плиты 12, нижний предел ограничен необходимостью обеспечения доступа к элементам оптической системы. Экспериментально установленное оптимальное расстояние L между геометрическим центром поворотного зеркала 3 и геометрическим центром полупрозрачного зеркала 4 лежит в интервале 20–40 см. Верхний предел расстояния обусловлен размерами оптической плиты 12, нижний предел ограничен необходимостью обеспечения доступа к элементам оптической системы. Экспериментально установленное оптимальное расстояние L между геометрическим центром полупрозрачного зеркала 4 и геометрическим центром входной апертуры поглотителя 5 пучка – лежит в интервале 30–60 см. Верхний предел расстояния обусловлен размерами оптической плиты 12, нижний предел ограничен тем, что при меньших значениях расстояния падает эффективность поглотителя 5. Экспериментально установленное оптимальное расстояние L между геометрическим центром полупрозрачного зеркала 4 и плоскостью внутренней грани клиновидной кюветы 6 с образцом – лежит в интервале от 5 до 20 см. Верхний предел расстояния обусловлен тем, что при больших расстояниях снижается поле зрения системы, нижний предел ограничен необходимостью обеспечения доступа к элементам оптической системы. Экспериментально установленное оптимальное расстояние L между геометрическим центром полупрозрачного зеркала 4 и геометрическим центром поляризатора 9 лежит в интервале от 5 до 20 см. Верхний предел расстояния обусловлен тем, что при больших расстояниях снижается поле зрения системы, нижний предел ограничен необходимостью обеспечения доступа к элементам оптической системы. Экспериментально установленное оптимальное расстояние L между геометрическим центром поляризатора 9 и геометрическим центром длиннофокусной линзы 10 лежит в интервале от 5 до 20 см. Верхний предел расстояния обусловлен тем, что при больших расстояниях снижается поле зрения системы, нижний предел ограничен необходимостью обеспечения доступа к элементам оптической системы.. Экспериментально установленное оптимальное расстояние L между геометрическим центром длиннофокусной линзы 10 и плоскостью ПЗС-матрицы регистратора 11 равно фокусному расстоянию длиннофокусной линзы 10, которое лежит в интервале от 20 до 100 см, так как в этом интервале обеспечиваются углы, в диапазоне которых регистрируется когерентное обратное рассеяние. Кратность линзового телескопа 2 лежит в интервале от 1,5 до 15, поскольку в данном интервале обеспечивается оптимальное соотношение между качеством коллимации пучка и его поперечным размером. Ось вращения электродвигателя 8 образует с третьей оптической осью угол в интервале от 0 до 5°,поскольку в данном интервале обеспечивается оптимальный размер лазерного пятна на образце.
Зажим 15 вместе с соединенной с ним клиновидной кюветой 6 с образцом может перемещаться вдоль цилиндрического стержня 7 и фиксироваться прижимным винтом в выбранном месте, меняя тем самым толщину зондируемого слоя клиновидной кюветы 6, позволяя осуществлять плавную регулировку.
Таким образом, достигается технический результат, т.е. возможность плавной регулировки зондируемой толщины образца дисперсной среды. Толщина образца регулируется с помощью смещения клиновидной кюветы 6.