ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД Российский патент 1995 года по МПК G01N21/45 

Изобретение относится к оптическим измерениям и может быть использовано для определения показателя преломления жидких и газообразных сред как однородных, так и неоднородных.

Известен способ определения показателя преломления жидких и газообразных сред, включающий пропускание когерентного излучения через кюветы с эталонной и исследуемой средами, формирование интерференционной картины и определение показателя преломления путем ее анализа [1]
Известен также голографический способ определения показателя преломления, включающий пропускание когерентного излучения через кювету, в которую попеременно помещают эталонную и исследуемую среды, отражение излучения от плоского зеркала или рассеивателя, расположенного за кюветой, прохождение отраженного излучения через кювету в обратном направлении, регистрацию голограммы, ее восстановление и определение показателя преломления путем измерения разности фаз интерференционной картины [2]
Однако известные способы не позволяют определять разность показателей преломления эталонной и исследуемой сред по одной интерференционной картине, т.е. не дают возможности находить по одной интерференционной картине абсолютное значение показателя преломления исследуемой среды при известном показателе преломления эталонной среды. Эти способы позволяют определять лишь изменение показателя преломления исследуемой среды путем анализа по крайней мере двух интерференционных картин (или бегущей интерференционной картины).

Сущность изобретения заключается в том, что для определения разности показателей преломления эталонной и исследуемой сред по одной интерференционной картине по голографическому способу определения показателя преломления жидких и газообразных сред, включающему пропускание когерентного излучения в прямом и обратном направлении через кювету, в которой попеременно размещены эталонная и исследуемая среды, регистрацию голограммы, ее восстановление и определение показателя преломления путем анализа интерференционной картины, пропускание когерентного излучения через кювету в обратном направлении осуществляют путем его отражения от диффузного рассеивателя с известной формой отражающей поверхности, который размещают внутри кюветы, а показатель преломления исследуемой среды определяют путем измерения пространственной частоты интерференционных полос.

Заявляемый способ основан на следующем. Рассмотрим оптические разности хода для двух точек интерференционной картины, сопряженных с соответствующими точками рассеивателя:
ΔΦ₁(x₁, y₁) 2 n(x,y,z)dz
(1)
ΔΦ₂(x₂, y₂) 2 n(x,y,z)dz где Δn(x,y,z) n₂(x,y,z) n₁(x,y,z);
n₂ показатель преломления исследуемой среды;
n₁ показатель преломления эталонной среды.

Когерентное излучение распространяется вдоль оси Оz.

В прототипе d₂ d₁, а следовательно, разность Δ Φ₂-ΔΦ₁=N_λне зависит от разности показателей преломления эталонной и исследуемой сред, а определяется лишь разностью показателя преломления исследуемой среды в двух этих точках. В заявляемом способе величина разности d₂ d₁= Δz определяется формой отражающей поверхности рассеивателя z(x,y). В результате этого изменение разности фаз по поверхности интерференционной картины содержит информацию о разности показателей преломления исследуемой и эталонной сред. В случае однородных сред
Δ Φ₂-ΔΦ₁=2 Δ n Δ z=Δ N_λ (2) Для ΔN 1
λ (3) откуда
Δn (4) где ν_l- пространственная частота интерференционных полос в произвольном на-правлении l; производная по направлению l от функции z(x, y).

При использовании плоского рассеивателя, повернутого на угол γ относительно плоского х0у вокруг оси Оу, z x ˙tgγ. В этом случае выражение (4) упрощается:
Δn (5)
Таким образом, заявляемый способ позволяет определять по одной интерференционной картине абсолютное значение показателя преломления исследуемой среды по известным значениям показателя преломления эталонной среды как для однородных, так и для неоднородных сред. В случае неоднородных сред пространственные частоты формируемой интерференционной картины являются переменными, измерять их следует в каждой интересующей точке и, подставляя в выражение (4) или (5), определять для этих точек соответствующие показатели преломления, т.е. находить распределение n₂(x,y).

Для определения показателя преломления жидких и газообразных сред используют устройство, принципиальная схема которого представлена на чертеже.

Устройство содержит источник 1 когерентного излучения, например лазер, формирующий параллельный пучок света, светоделитель 2, кювету 3 с диффузным рассеивателем 4 с известной формой поверхности, например плоской пластиной, повернутой на угол γ относительно направления падающего излучения, зеркало 5, приспособление 6 для крепления голографической пластинки и анализатор 7 интерференционной картины, например ПЗС-матрица.

Определение показателя преломления заявляемым способом осуществляют следующим образом. Когерентное излучение от источника 1 с помощью светоделителя 2 пропускают через кювету 3, в которую помещена эталонная или исследуемая среда (последовательность не имеет значения). Отраженное от рассеивателя 4 излучение регистрируют на голографической пластинке, установленной в приспособлении 6, с помощью опорной волны, сформированной зеркалом 5. После этого заменяют в кювете 3 среду и снова производят регистрацию голограммы на ту же фотопластинку. Восстановив полученную двухэкспозиционную голограмму той же опорной волной, сформированной зеркалом 5, определяют показатель преломления путем измерения пространственной частоты полученной интерференционной картины с помощью анализатора 7. При этом может использоваться как визуальная или фотографическая регистрация интерференционной картины, так и фотоэлектрическая. Возможен вариант реализации способа, когда записывают голограмму за одну экспозицию. В этом случае интерференционную картину анализируют в реальном времени.

Точность определения показателя преломления сравнима с прототипом. Например, для γ= 20^о, ν_x= 0,2 , Δ γ= 0,1^о 0,00175 рад, Δν_x= 0,01, λ= 0,6˙10^-3 мм, n 1,33, Δn₁ 10^-5 искомый показатель преломления равен n₂ n₁ Δn 1,32984, где Δn определяется по формуле (5). При этом погрешность определения показателя преломления, рассчитанная по формуле
Δn₂= Δn₁+Δ(Δn) Δn₁+ где Δn₁ погрешность показателя преломления эталонной среды, составляет около 10^-5.

Использование: для определения показателя предложения однородных и неоднородных жидких и газообразных сред. Сущность изобретения: когерентное излучение пропускают через кювету, внутри которой расположен диффузный рассеиватель с известной формой отражающий поверхности и размещена среда. Отраженное от рассеивателя излучение регистрируют на фотопластинке с помощью опорной волны, сформированной зеркалом. Указанные операции проводят дважды: с эталонной и исследуемыми средами. Зарегистрированные голограммы восстанавливают, а показатель преломления исследуемой среды определяют путем измерения пространственных частот интерференционных полос на сформированной интерференционной картине. 1 ил.

ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД, включающий пропускание когерентного излучения в прямом и обратном направлениях через кювету, в которой попеременно размещают эталонную и исследуемую среды, регистрацию голограммы, ее восстановление и определение показателя преломления путем анализа интерференционной картины, отличающийся тем, что пропускание когерентного излучения через кювету в обратном направлении осуществляют путем отражения от диффузного рассеивателя с известной формой отражающей поверхности, установленного внутри кюветы, а показатель преломления определяют путем измерения пространственной частоты интерференционных полос.