ОПТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МИКРОНЕОДНОРОДНОСТЕЙ ПРОЗРАЧНЫХ СРЕД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 1997 года по МПК G01J3/26 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для изучения микронеоднородностей в прозрачных средах.

Известны оптический способ и реализующий его лазерный интерферометр с узким пучком сравнения, в котором пучок света от лазера разделяется расщепительным устройством на два. Один из них (измерительный) расширяется объективом и направляется через исследуемую прозрачную неоднородность на сферическое зеркало интерферометра, другой пучок (сравнительный) остается нерасширенным и направляется через исследуемую неоднородность на край сферического зеркала в область наименьшего возмущения исследуемой среды. При отражении от сферического зеркала оба пучка интерферируют между собой и на экране наблюдается интерференционная картина [1]
Известны оптический способ и реализующий его интерферометр, взятые за прототип, в котором излучение делят с помощью полупрозрачной пластины на два пучка, направляют с помощью плоских зеркал в плоскость наблюдения и на основе интерференции осуществляют их сравнение. Устройство, реализующее этот способ, содержит источник излучения и установленные по ходу излучения объектив, расщепитель лазерного пучка в виде плоскопараллельной пластины, плоские зеркала, плоскость наблюдения интерференционной картины [2]
При реализации оптического способа измерения микронеоднородностей прозрачных сред приборы с такой оптической схемой работают в параллельных лучах, в связи с чем возникающая на плоскости наблюдения интерференционная картина является интегральной по объему прозрачной среды и не позволяет в деталях обследовать выбранный локальный участок прозрачной среды. Другая особенность состоит в том, что эта схема устройства не позволяет получить многократно увеличенное изображение выбранного локального участка прозрачной среды на плоскости наблюдения, т. к. в параллельных лучах проецируется на плоскость наблюдения изображение интегральной интерференционной картины в размер светового диаметра объектива. К интерферометрам такого типа предъявляют высокие требования к качеству, юстировке и виброустойчивости всех элементов интерферометра.

Задача изобретения получение помехоустойчивой многократно увеличенной микроинтерференционной картины, возникающей при прохождении пучка сравнения через любой участок исследуемой прозрачной среды, упрощение способа измерения, уменьшение требований к качеству изготовления оптических элементов устройства при реализации способа, юстировке оптических элементов при его сборке, упрощение его оптической схемы и условий эксплуатации.

Для решения этой задачи в известном способе и реализующем его лазерном интерферометре просвечивают участок прозрачной среды, выбранный для измерения, путем фокусирования лазерного пучка на этот участок (пучок сравнения) и одномоментно в другой ветви интерферометра фокусируют лазерный пучок в окружающую ветвь пространства (измерительный пучок). С помощью плоских зеркал, расположенных под углом к излучению лазера и раcщепителя лазерного пучка, пучок сравнения и измерительный пучок одномоментно направляют навстречу друг другу и в плоскость наблюдения. При отражении пучков от плоских зеркал происходит их расширение и многократное увеличение в размерах в плоскости наблюдения, где оба пучка сравниваются по амплитудно-фазовым характеристикам на основе их интерференции. Устройство, реализующее способ измерения микронеоднородностей прозрачных сред, содержащее лазер, расположенные по ходу излучения телескопическую систему, расщепитель лазерного пучка, плоские зеркала, плоскость наблюдения интерференционной картины, отличается тем, что в него перед расщепителем лазерного пучка введена собирающая линза, снабженная механизмом перемещения.

Для реализации оптического способа измерения микронеоднородностей прозрачных сред на чертеже изображена оптическая схема лазерного проекционного микрообъектного интерферометра.

Оптическая схема лазерного проекционного микрообъектного интерферометра содержит лазер 1, телескопическую систему 2, собирающую линзу 8, расщепитель 3 лазерного пучка, плоские зеркала 4 и 5, плоскость наблюдения 7 интерференционной картины. Прозрачный объект 6 расположен в промежутке между расщепителем 3 и плоским зеркалом 4. Пучок света от лазера 1 проходит телескопическую систему 2 и параллельным пучком падает на собирающую линзу 8, которая производит фокусировку пучка. Линза 8 имеет подвижку вдоль оси пучка, что позволяет изменять вдоль оси пучка положение фокуса пучка, в сходящихся лучах лазера за линзой 8 располагается расщепитель пучка 3, который расщепляет сходящийся пучок на два пучка, при этом фокус одного пучка (сравнительного) приходится на исследуемую прозрачную неоднородность (объект 6), а фокус второго пучка располагается за расщепителем перед плоским зеркалом 5; за этим фокусом происходит расширение пучка (измерительный пучок) и его последовательное отражение от плоских зеркал с расширением пучка при каждом отражении от поверхности зеркал с последующим его падением в виде расходящегося пучка на плоскость наблюдения 7. Сравнительный пучок после фокусирования на исследуемую прозрачную неоднородность расширяется и распространяется в направлении плоских зеркал, достигнув поверхности которых отражается с расширением пучка на расщепитель 3. От расщепителя 3 расширенный сравнительный пучок падает на плоскость наблюдения 7.

Таким образом, между зеркалами 4 и 5 интерферируют два встречных расширяющихся пучка, сравнительный и измерительный, и световое поле, содержащее интерферирующие световые волны, отражается от плоскости зеркала 5 и плоскости зеркала 4 и направляется (проецируется) в плоскость наблюдения 7. В итоге, в плоскости 7 наблюдается многократно увеличенное изображение микроинтерференционной картины фокуса сравнительного пучка в исследуемой прозрачной неоднородности.

Пример: на покровное оптическое стекло толщиной 0,2 мм (позиция 6 на чертеже) помещалась капля воды объемом 0,5 мм³, на которую фокусировалось с помощью линзы 8 с фокусным расстоянием 100 мм излучение лазера ЛГ-77. При испарении капли в плоскости 7 наблюдалось увеличенная в 500 раз микроинтерференционная картина процесса испарения капли воды.

Применение предлагаемого способа и реализующего его лазерного проекционного микрообъектного интерферометра выгодно отличает его от известного способа и устройства его реализующего, так как уменьшаются требования к изготовлению зеркала, увеличивается многократно помехоустойчивость интерференционной картины, возможно наблюдение в увеличенном масштабе динамики изменения микроинтерференционной картины и многократно увеличивается информативность по исследуемым процессам прозрачных неоднородностей.

За базовый объект принят прототип.

Использование. Оптический способ измерения микронеоднородностей прозрачных сред и устройство для его реализации относится к области оптического приборостроения. Сущность изобретения. В оптическом способе измерения микронеоднородностей прозрачных сред, включающем просвечивание когерентным пучком сравнения участка прозрачной среды, интерференцию с встречным расходящимся когерентным пучком измерения, направления этих пучков в плоскость наблюдения и сравнение на основе интерференции амплитудно-фазовых характеристик этих двух пучков, осуществляют фокусировку пучка сравнения таким образом, чтобы фокус пучка сравнения находился на участке прозрачной среды, выбранном для измерения, при этом расширение пучков и взаимозависимость их фокусов осуществляют одномоментно. В устройстве измерения микронеоднородностей прозрачных сред, содержащем лазер, расположенные по ходу излучения телескопическую систему, расщепитель лазерного пучка, плоские зеркала, плоскость наблюдения интерференционной картины, перед разщепителем введена собирающая линза с механизмом перемещения, а плоские зеркала расположены под углом к излучению лазера. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Оптический способ измерения микронеоднородностей прозрачных сред, включающий просвечивание когерентным пучком сравнения участка прозрачной среды, интерференцию с встречным расходящимся когерентным пучком измерения, направление этих пучков в плоскость наблюдения и сравнение на основе интерференции амплитудно-фазовых характеристик этих двух пучков, отличающийся тем, что при просвечивании участка прозрачной среды, выбранного для измерения, для получения расходящегося пучка сравнения осуществляют фокусировку пучка сравнения таким образом, чтобы фокус пучка сравнения находился на участке прозрачной среды, выбранном для измерения, при этом расширение пучков и взаимозависимость их фокусов осуществляют одномоментно. 2. Устройство измерения микронеоднородностей прозрачных сред, содержащее лазер, расположенные по ходу излучения телескопическую систему, расщепитель лазерного пучка, плоские зеркала, плоскость наблюдения интерференционной картины, отличающееся тем, что в него перед расщепителем лазерного пучка введена собирающая линза, снабженная механизмом перемещения, а плоские зеркала расположены под углом к излучению лазера.