СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ Российский патент 1994 года по МПК G01B9/02 

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к способам регистрации быстропротекающих процессов, и может быть использовано для исследования плазмы, ударных волн, газового разряда, искры.

Известен способ измерения фазовых неоднородностей, состоящих из электронной и ионной компоненты [1] , в котором формируют зондирующий когерентный пучок, зондируют им неоднородность и интерферометрически регистрируют.

Однако точность измерения фазовых неоднородностей в таком способе невелика, поскольку на интерферограмме регистрируют суммарные искажения волнового фронта (ВФ) и по результирующей интерферограмме невозможно определить фазовые искажения и соответствующее пространственное распределение, отвечающее каждой компоненте в отдельности.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ измерения фазовой неоднородности, состоящей из электронной и ионной компоненты, в котором формируют основной зондирующий когерентный пучок, из основного формируют спектрально преобразованный пучок, зондируют обоими пучками неоднородность и интерферометрически регистрируют. При этом регистрируют одновременно две интерферограммы на двух длинах волн, соответствующих основному пучку и преобразованному.

Этот способ позволяет измерить неоднородность, т. е. определить распределение электронной и ионной компонент в отдельности. Однако точность измерения неоднородности невелика, поскольку для каждой из компонент она ограничивается суммарной погрешностью регистрации обеих интерферограмм.

Целью изобретения является повышение точности измерения фазовых неоднородностей, содержащих электронную и ионную компоненту путем раздельной регистрации компонент при одновременном увеличении быстродействия измерения.

Это достигается тем, что в известном способе измерения фазовой неоднородности, состоящей из электронной и ионной компоненты, в котором формируют основной зондирующий когерентный пучок, из основного формируют спектрально преобразованный пучок, зондируют пучками неоднородность и интерферометрически регистрируют, преобразование пучка осуществляют с помощью вынужденного комбинационного рассеяния излучения с обращением волнового фронта пучка, причем отношение длин волн основного пучка и преобразованного при регистрации электронной компоненты устанавливают равным отношению числа проходов пучков через неоднородность, а при регистрации ионной компоненты - обратной величине, при этом спектральное преобразование пучка осуществляют после зондирования неоднородности основным пучком.

На чертеже изображена оптическая схема установки для реализации данного способа.

Она содержит источник 1 излучения, узел 2 формирования основного зондирующего когерентного пучка, исследуемый объект 3, неоднородность 4, полупрозрачное для основного пучка зеркало 5, зеркала 6-8, преобразователь 9, полупрозрачное для преобразованного пучка зеркало 10, зеркала 11, 12, плоскость 13 регистрации электронной компоненты, зеркала 14-17, поляризатор 18, плоскость 19 регистрации ионной компоненты.

Способ осуществляют следующим образом.

Источник 1 генерирует когерентное излучение, из которого узлом 2 формируют основной когерентный пучок, зондирующий исследуемый объект 3, содержащий неоднородность 4. Последняя состоит из электронной и ионной компонент. При этом в основном пучке W_о, накапливаются искажения, соответствующие суммарному воздействию электронной и ионной компонент. Часть основного пучка, прошедшего за полупрозрачное зеркало 5, направляют зеркалами 6-8 в преобразователь 9.

Преобразование пучка заключается в следующем. Длина волны излучения изменяется, пучок распространяется в обратную сторону, а волновой фронт обращается и следовательно накопленные основным пучком искажения переходят в преобразованный пучок. Такое преобразование осуществляется за счет процессов вынужденного комбинационного рассеяния (ЕКР) "Назад" или в более современной терминологии "Обратного ВКР". Будем называть такой пучок "преобразованным" и обозначать W_п. При последующем зондировании неоднородности преобразованным пучком в нем компенсируют искажения, вызванные одной из компонент, сохраняя в пучке искажения, соответствующие другой компоненте, поэтому преобразование пучка осуществляют после зондирования неоднородности основным пучком.

Для регистрации электронной компоненты в пучке компенсируют искажения, отвечающие ионной компоненте, накапливая равные им по величине и противоположные по знаку. Противоположный знак обеспечивается тем, что преобразованный пучок имеет за счет ОВФ обращенную фазу. Условия компенсации искажений, отвечающих ионной компоненте, выполняются, когда отношение длин волн основного пучка и преобразованного равно отношению числа их проходов по неоднородности. При этом искажения, соответствующие электронной компоненте, не компенсируются, поскольку при формировании преобразованного пучка изменяется длина волны (за счет ВКР).

Преобразованный пучок, распространяющийся по пути, задаваемому зеркалами 6, 7, 8 W_п . Для выполнения условий компенсации пучок W_п , распространяющийся в обратном направлении, проходит прозрачное для W_пзеркало 5, зондирует объект 3, отражается в обратном направлении от полупрозрачного для W_п зеркала 10, вновь зондирует исследуемый объект 3.

Следовательно, пучок W_о совершает число проходов по неоднородности n_о = 1, а пучок W_п - n_п = 2. Поэтому для выполнения условия компенсации в преобразователе 9 формируют длину волны λ_п преобразованного пучка, в 2 раза превышающую длину волны λ_о основного пучка. Далее пучок поступает на полупрозрачные зеркала 11 и 12. Зеркалом 11 из части пучка, прошедшей через исследуемый объект, формируют предметный пучок. Зеркалом 12 из части пучка, не подвергнутой искажению, формируют опорный пучок. Далее оба пучка поступают на плоскость 13 регистрации интерферограммы. Поскольку вклад в искажения ВФ, вносимый ионной компонентой, скомпенсирован, искажения полос на интерферограмме обуславливаются только электронной компонентой. При этом точность регистрации ВФ повышается, поскольку ограничивается только погрешностью в определении координат полос на этой (одной) интерферограмме.

Для регистрации ионной компоненты частью основного пучка, отразившейся от полупрозрачного для W_о зеркала 5, вновь зондируют объект 3, т. е. W_о дважды проходит неоднородность (n_о = 2). При зондировании неоднородности в основном пучке накопились искажения, вызванные как ионной, так и электронной компонентой. Затем пучок проходит прозрачное для W_о зеркало 10 и направляется зеркалами 14-16 на преобразователь 9, в котором пучок аналогично предыдущему изменяет длину волны излучения на λ_п, обращается по фазе и распространяется назад, при этом поляризация пучка задается поляризатором 18.

Преобразованный пучок, распространяющийся по пути, задаваемому зеркалами 14, 15, 16, обозначим W_п′′ проходит полупрозрачное для W_п′′зеркало 10 и зондирует объект 3. Далее пучок проходит прозрачное для W_п′′зеркало 5, полупрозрачное зеркало 6, а также прозрачное для сформированной в W_п′′ поляризации зеркала 11 и 12. Следовательно, в этом случае пучок W_п′′ один раз зондирует исследуемый объект n_п = 1). Для компенсации искажений, внесенных в W_о электронной компонентой, необходимо накопить в W_п′′ искажения, равные им по величине и противоположные по знаку. Противоположный знак обеспечивается за счет ОВФ.

Накопление искажений, достаточных для компенсации электронной компоненты, достигается, когда отношение длин волн основного пучка и преобразованного равно обратной величине отношения числа их проходов по неоднородности. Поскольку в преобразователе 9 длина волны преобразованного пучка λ_п = 2 λ_о, а также учитывая, что n_о = 2, а n_п = 1, указанное требование выполняется. Следовательно, в преобразованном пучке остаются только искажения, отвечающие ионной компоненте. Далее зеркалом 17 из части пучка, искаженной неоднородностью, формируют предметную волну, которая направляется на плоскость регистрации 19. Зеркалом 20 из части пучка, не искаженной неоднородностью, формируют опорную волну, которую также направляют на плоскость 19, на которой регистрируют интерференционную картину пучка с искажениями, отвечающими ионной компоненте. При этом точность регистрации ВФ повышается, поскольку ограничивается только погрешностью в определении координат полос на этой (одной) интерферограмме.

Покажем, что равенство отношения длин волн основного и преобразованного пучков отношению числа их проходов по неоднородности приводит к компенсации в W_п искажений, отвечающих ионной компоненте, а равенство отношения длин волн тех же пучков обратной величине отношения числа проходов приводит к компенсации искажений, отвечающих электронной компоненте.

Будем измерять искажения ВФ в длинах волн или в числе полос К, если эти искажения зарегистрированы на интерферограмме. Величина искажения, внесенного неоднородностью, содержащей электронную и ионную компоненту, определяется разностью:
К = К_и - К_э, (1) где К_и - величина искажения, вызванного ионной компонентой, К_э - электронной. При этом
К_и = АN_иl/λ, (2)
К_э = ВN_эlλ , (3) где l - длина пути пучка в неоднородности; А и В - константы; N_и и N_э - распределение концентрации ионов и электронов соответственно.

Рассмотрим вначале эволюцию искажения ВФ, вызванного ионной компонентой. При n_о-кратном прохождении неоднородности основным пучком W_о полученное им искажение равно:
К_и1 = n_oАN_иl/λ_о, (4) где λ_о - длина волны основного пучка. После преобразования длина волны изменилась и стала λ_п. При n_п-кратном прохождении неоднородности преобразованным пучком W_п в него вносится искажение
К_и2 = n_пАN_иl/ λ_п, (5) При этом поскольку преобразованный пучок обращен по фазе в результате ОВФ, результирующее искажение ВФ будет определяться разностью:
К_и = К_и1 - К_и2. (6) Рассмотрим эволюцию искажения, вносимого электронной составляющей. При n_о-кратном прохождении неоднородности основным пучком W_о полученное искажение равно:
К_э1 = n_о ВN_э l λ_о. (7)
После преобразования и n_п-кратного прохождения преобразованным пучком W_п неоднородности вносится искажение:
К_э2 = n_пВN_эl λ_п. (8) Аналогично (6), вследствие ОВФ результирующее искажение, вносимое электронной составляющей, будет определяться разностью:
К_э = К_э1 - К_э2. (9)
Суммарное искажение ВФ, вносимое как ионной, так и электронной компонентой, согласно (1), (4)-(9) будет:
K = (n_o/ λ_o - n_п/λ_п)lN_и - (n_o λ_o - n_п λ_п)lBN_э (10)
Из (10) следует, что для компенсации ионной компоненты необходимо выполнение условия:
n_o/ λ_o - n_п/ λ_п = 0 (11) или
λ_о/ λ_п = n_o/n_п, (12) т. е. отношение длин волн основного пучка и преобразованного равно отношению числа проходов пучков по неоднородности.

Покажем теперь, что при этом не компенсируется вклад в искажения, внесенный электронной компонентой. Подставляя (11) в (10), получим:
К = ( λ_о - λ_и²/λ_o)n_olBN_э. (13) Поскольку формирование преобразованного пучка осуществляется за счет ВКР, то λ_п ≠ λ_0, и, следовательно, в соответствии с (13) К ≠0, при этом искажения обусловлены электронной компонентой N_э. Для конкретных условий, представленных на фиг. , для пучка W_п имеем n_o = 1, n_п = 2 и, учитывая (12), получим из (13)
К_э = 3 λ_оlBN_э. (14) Таким образом, на плоскости регистрации 13 будет зарегистрирована только электронная компонента N_э.

Для регистрации ионной компоненты необходимо скомпенсировать вклад в искажения, внесенный электронной компонентой. Он компенсируется, как следует из (10), при условии
λ_о n_o - λ_пn_п = 0 (15) или
λ_о/ λ_п = (n_o/n_п)^-1, (16) т. е. отношение длин волн основного пучка и преобразованного при регистрации ионной компоненты равно обратной величине отношения чисел проходов пучков по неоднородности.

Покажем, что при этом не компенсируется вклад в искажения, внесенный ионной компонентой. Подставляя (15) в (10), по- лучим
K= (1/λ_о - λ_о /λ_n² ) n_oIAN_и (17)
Поскольку формирование преобразованного пучка W_п осуществляется за счет ВКР, то λ_п ≠ λ_0,, и, следовательно, в соответствии с (17) К≠0, при этом искажения обусловлены ионной компонентой N_и. Для конкретных условий, представленных на чертеже, для пучка W_п′′ имеем n₀ = 2, n_п = 1 и, учитывая (16), получим из (17)
K_и= n_olAN_и (18)
Таким образом, на плоскости регистрации будет зарегистрирована только ионная компонента N_и.

Выберем в качестве источника основного зондирующего когерентного пучка параметрический генератор света, например на α-НJO₃, генерирующий на длине волны λ_о = = 1,2 мкм. Перейдем от длины волны к соответствующей частоте по формуле:
ω= 1/ λ. (19) Из (19) найдем
ω_о = 8,333 см^-1. (20) В качестве преобразователя 9 используем ячейку ВКР на водороде. Частота ω_п преобразованного в ней излучения определится по формуле
ω_п = ω_o - Ω , (21) где Ω = 4155 см^-1. Подставим в (21) численные значения ω_о и Ω , и, учитывая (19), получим
λ_п = 2,4 мкм (22) Следовательно, λ_о/λ_п = 1/2, т. е. условия (12) и (16) выполнены.

Покажем теперь, что повышается точность регистрации фазовых неоднородностей по предлагаемому способу. Проведем сравнение с прототипом, когда электронная компонента N_э неоднородности определяется путем измерения координат полос k₁ и k₂ для двух интерферограмм, зарегистрированных на двух длинах волн λ₁ и λ₂ соответственно. Можно написать
N_э= 2,2·10 (23) Применяя известные приемы статистической обработки результатов измерений, найдем относительную погрешность:
= + (24) т. е. точность определения величины электронной компоненты неоднородности определяется погрешностями Δ k₁ и Δ k₂ регистрации на обеих интерферограммах. Обозначим далее относительную погрешность определения электронной компоненты неоднородности (Δ N_э/N_э)ВКР по предлагаемому способу. Из (14) получим:
(Δ N_э/N_э)_ВКР = Δ k/k. (25) Минимальное измеримое значение сдвига полос Δ k определяется точностью изготовления элементов оптической схемы и обычно не превышает 0,1 полосы, поэтому положим Δ k = Δ k₁ = Δ k₂ = 0,1. Численное сравнение обоих способов проведем для одинаковых условий. Положим λ₂ = 2 λ₁, k = = k₁ = k₂ = 1, получим из (24) и (25) соответственно:
Δ N_э/N_э = 0,3, (26)
(Δ N_э/N_э)_ВКР = 0,1, (27) т. е. точность регистрации повысилась в 3 раза.

Аналогично можно показать повышение точности и для ионной компоненты. Следовательно, предлагаемый способ обеспечивает 3-кратное повышение точности регистрации фазовой неоднородности.

Таким образом, при зондировании неоднородности основным пучком в нем накапливаются искажения, соответствующие суммарному воздействию электронной и ионной компонент. После преобразования искажения переходят к преобразованному пучку. При последующем зондировании неоднородности преобразованным пучком в нем компенсируют искажения, вызванные одной из составляющих, сохраняя искажения, вызванные другой компонентой и подлежащие регистрации. Поэтому преобразование осуществляют после зондирования неоднородности основным пучком.

Компенсацию реализуют путем накапливания в преобразованном пучке искажений, равных по величине и противоположных по знаку искажениям, подлежащим компенсации. Противоположный знак обеспечивают тем, что преобразованный пучок формируют с обращенной фазой (ОВФ). Чтобы при компенсации сохранить в пучке искажения, соответствующие другой компонентой, преобразованный пучок формируют с другой длиной волны. В этом случае накопление пучком искажений происходит по-разному для электронной и ионной компонент. А именно: накопление искажений, достаточных для компенсации ионной компоненты, достигается, когда отношение длин волн основного пучка и преобразованного равно отношению числа их проходов по неоднородности, а для компенсации электронной компоненты - обратной величине отношения. Формирование преобразованного пучка осуществляют путем обратного ВКР, при котором изменяется длина волны и одновременно реализуется ОВФ.

Увеличение быстродействия измерения проявляется в следующем.

По предлагаемому способу расчет производится независимо для каждой интерферограммы, при этом по сравнению с прототипом исключается дополнительная операция по взаимной координатной привязке полос на обеих интерферограммах и упрощается их математическая обработка.

Кроме того, интерферограмма, полученная путем раздельной регистрации, обладает наглядностью, благодаря которой появляется возможность на основе визуального анализа производить оценку распределения той или иной компоненты. Это свойство позволяет оперативно управлять экспериментом, поскольку для внесения изменений в ход эксперимента не требуется производить детальный расчет каждой интерферограммы.

Использование: измерение параметров ударных волн, плазмы, газового разряда, искры. Сущность изобретения: зондируют неоднородность основным световым пучком, из которого формируют преобразованный с другой длиной волны и обращенным волновым фронтом. Зондируют неоднородность преобразованным пучком. При отношении чисел проходов пучков по неоднородности, равном отношению соответствующих длин волн, интерферометрически регистрируют ионную компоненту. При обратном отношении чисел проходов пучков регистрируют электронную компоненту. Повышается точность и быстродействие измерения. 1 ил.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ, состоящей из электронной и ионной компонент, включающий формирование основного зондирующего когерентного пучка, формирование из основного спектрально преобразованного пучка, зондирование пучками неоднородности и интерферометрическую регистрацию, отличающийся тем, что формирование спектрально преобразованного пучка осуществляют на основе вынужденного комбинационного рассеяния излучения с обращением волнового фронта пучка, причем отношение длин волн основного пучка и преобразованного при интерферометрической регистрации электронной компоненты устанавливают равным отношению числа проходов пучков по неоднородности, а при интерферометрической регистрации ионной компоненты - обратной величине указанного отношения, при этом формирование спектрально преобразованного пучка осуществляют после зондирования основным пучком неоднородности.