ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, в частности к голографическим интерферометрам, и может быть использована для диагностики и количественного измерения слабых оптических неоднородностей. К слабым неоднородностям относятся такие неоднородности, при прохождении которых световые лучи получают разность хода меньшую, чем 0,1λ длины световой волны.
Известен голографический интерферометр (см. В.Т.Черных, И.Н.Зелинский. Способ получения многочастотного голографического элемента и его использование в голографической интерферометрии трехмерных фазовых объектов. - Оптика и спектроскопия, т.46, в.4, с.795-799, 1979 г.), содержащий источник когерентного излучения, светоделитель, для формирования объектной и опорной ветвей, зеркала для ввода пучков в оптические системы, причем объектная ветвь включает коллиматор, одно- или двумерный дифракционный элемент, установленный перед рабочей зоной, опорная ветвь включает оптическую систему и узел регистрации голограммы.
Наиболее близким техническим решением является голографический интерферометр (см. В.Т.Черных, А.Ф.Белозеров. Авторское свидетельство SU №469882, МПК G01B 9/02, 05.05.1975), содержащий источник когерентного излучения, светоделительную пластину, оптическую систему для формирования опорного и объектного пучков, дифракционный элемент перед объектом и узел регистрации голограммы.
-5
-7
Недостаток известных голографических интерферометров состоит в том, что посредством этих интерферометров невозможно проводить измерения плотности в газовых потоках при давлениях, равных 10÷10 мм ртутного столба, диагностировать факелы распыливания топлив из форсунок, истекающих в разреженное пространство, и решать другие аналогичные задачи, так как чувствительность этих приборов составляет величину обнаружения разности хода лучей, равную 0,1λ длины световой волны. Количественно изучать слабые неоднородности с помощью этих приборов не представляется возможным.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в том, чтобы создать голографический интерферометр, с помощью которого можно было бы количественно изучать слабые неоднородности, для чего необходимо увеличить его коэффициент чувствительности измерений.
го
ых
ых
ых
го
го
го
го
го
го
го
го
Технический результат достигается тем, что в голографическом интерферометре, содержащем источник когерентного излучения, светоделительную пластину, оптическую систему для формирования опорного и объектного пучков, дифракционный элемент, установленный перед объектом, и узел регистрации голограммы, согласно предлагаемой полезной модели, в оптической системе для формирования объектного пучка, после объекта, перпендикулярно оптической оси дифракционного элемента, дополнительно установлено зеркало объектного пучка, выполненное с возможностью возврата объектного пучка в обратном ходе и формирования совместно с дифракционным элементом на выходе дифрагированных пучков 0; ±1; ±2; …±N порядков дифракции, причем в пучках +1; +2; +3; +N порядков дифракции перпендикулярно оптической оси дополнительно установлены N зеркал, выполненные с возможностью одновременного возврата объектных пучков в прямом ходе в плоскость дифракционного элемента и образования объектных дифрагированных пучков, проходящих через объект в направлении зеркала объектного пучка, а узел регистрации голограммы установлен в одном из N сопряженных пучках -1; -2; -3; -N порядков дифракции обратного хода лучей.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная оптической схема предлагаемого голографического интерферометра, на фиг.2 приведена голографическая интерферограмма неоднородностей факела пламени, полученная посредством интерферометра, взятого в качестве прототипа, на фиг.3 приведена голографическая интерферограмма неоднородностей факела пламени, полученная посредством предлагаемого интерферометра.
Цифрами на чертеже (фиг.1) обозначены:
1 - источник когерентного излучения (лазер),
2 - коллиматор,
3 - светоделительная пластина,
4 - дифракционный элемент,
5 - объект,
6 - зеркало объектного пучка,
7, 8, 9, 10, …N - зеркала, выполненные с возможностью одновременного возврата объектных пучков в прямом ходе в плоскость дифракционного элемента и образования объектных дифрагированных пучков,
11, 12 - зеркала опорного пучка,
13 - узел регистрации голограммы.
Голографический интерферометр содержит источник 1 когерентного излучения, коллиматор 2, светоделительную пластину 3, оптическую систему для формирования опорного пучка, которая имеет зеркала 11, 12, и объектного пучка, дифракционный элемент 4, установленный перед объектом 5, и узел 13 регистрации голограммы.
Отличием предлагаемого голографического интерферометра является то, что в оптической системе для формирования объектного пучка дополнительно установлены зеркало 6 объектного пучка и зеркала 7, 8, 9, 10, …N.
Зеркало 6 объектного пучка установлено после объекта 5, перпендикулярно оптической оси дифракционного элемента 4.
го
ых
ых
ых
Зеркало 6 выполнено с возможностью возврата объектного пучка в обратном ходе и формирования, совместно с дифракционным элементом 4, на его выходе дифрагированных пучков 0; ±1; ±2; …±N порядков дифракции.
го
го
го
го
Зеркала 7, 8, 9, 10, …N установлены в пучках +1; +2; +3; +N порядков дифракции перпендикулярно оптической оси.
Зеркала 7, 8, 9, 10, …N выполнены с возможностью одновременного возврата объектных пучков в прямом ходе в плоскость дифракционного элемента 4 и образования объектных дифрагированных пучков, проходящих через объект 5 в направлении зеркала 6 объектного пучка.
го
го
го
го
Узел 13 регистрации голограммы установлен в одном из N сопряженных пучках -1; -2; -3; -N порядков дифракции обратного хода лучей.
Принцип действия голографического интерферометра состоит в следующем.
ОП
ОБ
й
й
й
й
Когерентное излучение от лазера 1 (источника когерентного излучения) поступает в коллиматор 2. На выходе коллиматора формируется пучок параллельных световых лучей. Далее коллимированный пучок поступает на светоделительную пластину 3, посредством которого делится на два пучка. Отраженный от светоделителя опорный пучок W поступает в опорную ветвь, образованную элементами 3, 11, 12 и 13. Прошедший сквозь светоделительную пластину 3 пучок - объектный пучок W - далее поступает в прямом ходе на дифракционный элемент 4. Элемент 4 разлагает этот пучок на ряд дифрагированных пучков: нулевой и высшие порядки дифракции (0; ±1; ±2; …±N). Далее используют только пучок нулевого порядка, который, распространяясь в прямом направлении, просвечивает объект 5 и попадает на зеркало 6 объектного пучка.
Оптические элементы 3, 4, 5, 6, и 7, 8, 9, 10, …N образуют объектную ветвь голографического интерферометра.
й
й
ом
oм
ом
7
8
9
10
N
Зеркало 6 объектного пучка установлено после объекта 5 перпендикулярно оптической оси и выполнено возможностью возврата объектного пучка в обратном ходе в плоскость дифракционного элемента 4. Объектный пучок , дифрагируя на элементе 4, в обратном ходе также образует нулевой и высшие порядки дифракции (0; ±1; ±2; ±…±N). В пучках положительных порядков дифракции +1; +2; +3 …+N перпендикулярно оптической оси дополнительно установлены зеркала 7, 8, 9, 10, …N, которые выполнены с возможностью одновременного возврата пучков W, W, W, W, …W в прямом ходе в плоскость дифракционного элемента 4. Далее каждый из этих пучков, дифрагируя на элементе 4, формирует объектный пучок, идущий в прямом ходе к зеркалу 6, просвечивая при этом объект 5.
го
го
го
го
го
Отраженный от зеркала 6 объектный пучок, вновь просвечивает в обратном ходе объект 5 и поступает в плоскость дифракционного элемента 4. Дифрагированные объектные пучки в обратном ходе распространяются в направлениях как положительных, так и отрицательных порядков. Для регистрации объектного и опорного пучков узел голограммы установлен в одном из N сопряженных пучках -1; -2; -3; -N порядков дифракции обратного хода лучей, например, в пучке -4 порядка обратного хода лучей.
Коэффициент Ч увеличения чувствительности измерений определяется по формуле: Ч=(N+1)·2, где N - порядок дифракции.
Так, например, при использовании только нулевого порядка дифракции (N=0), коэффициент увеличения чувствительности будет равен 2, а при N, равном +4, коэффициент увеличения чувствительности будет равен 10, т.е. на порядок больше измеряемой величины (в сравнении с 0,1λ).
На голографическом интерферометре голограмму регистрируют по методу двух экспозиций. Проведено экспериментальное испытание предлагаемого голографического интерферометра, которое показало его работоспособность. На фиг.2, 3 приведены голографические интерферограммы неоднородностей факела пламени, полученные посредством интерферометра, взятого в качестве прототипа (см. фиг.2) и полученные при помощи предлагаемого голографического интерферометра, (см. фиг.3). Из снимка, показанного на фиг.3 видно, что деформация полос в области границы неоднородности в десять раз больше, чем на снимке, показанном на фиг.2. Из снимка (фиг.3) также видно, что полосы настройки вне возмущенной зоны сохраняют строгую прямолинейность (при достигнутом увеличении чувствительности), что позволяет проводить количественную расшифровку интерферограммы, показанной на фиг.3.
Таким образом, использование предлагаемой полезной модели позволит повысить коэффициент чувствительности измерений, что обеспечит количественное измерение слабых оптических неоднородностей.