ИНТЕРФЕРОМЕТР Российский патент 2004 года по МПК G01B9/02 G01J3/00 

Изобретение относится к области измерения оптических характеристик веществ и может быть использовано для измерения показателя преломления жидкости или газа, а также спектрального поглощения этих веществ.

Классическим устройством для измерения показателя преломления газа является интерферометр Жамена, выполненный в виде двух плоскопараллельных пластин одинаковой толщины. При этом на одну из поверхностей каждой пластины нанесено зеркальное покрытие, а между упомянутыми пластинами расположены газовые кюветы (Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973, с.285-286).

Данный интерферометр обладает высокой точностью измерения показателя преломления газа, находящегося в кюветах.

К его недостаткам следует отнести сложность измерения абсолютного значения показателя преломления.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является интерферометр, содержащий оптически сопряженные источник светового излучения, отражающее зеркало, выполненное частично пропускающим световое излучение, тонкий частично пропускающий слой толщиной не более λ/2, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны и расположенный на одной из поверхностей клиновидного элемента, на второй поверхности которого расположено в виде отражающего покрытия упомянутое отражающее зеркало, периодическую систему, содержащую фотоэлементы, расположенную позади отражающего зеркала и спектроанализатор [Патент РФ №2189017 по МКИ 7 G 01 J 3/00, G 01 В 9/02, G 01 R 23/17, опубл. 10.09.2002 (прототип)]. При этом клиновидный элемент выполнен в виде воздушного клина или в виде оптического клина из оптически прозрачного материала. С использованием данного интерферометра возможно измерение спектрального поглощения исследуемого вещества. При этом упомянутый клиновидный элемент выполнен с углом клина 2-3 градуса, что обеспечивает достижение достаточно высокого разрешения определяемых длин волн, связанного с общим количеством измеренных интерференционных полос. С использованием данного интерферометра также возможно измерение показателя преломления вещества, из которого выполнен клиновидный элемент. При этом клиновидный элемент выполнен с углом клина 1-10 минут, что обеспечивает измерение периода интерференционных полос и, следовательно, показателя преломления с достаточно хорошей точностью.

К его недостаткам следует отнести сложность измерения показателя преломления жидкости или газа, а также одновременного измерения спектрального поглощения и показателя преломления исследуемого вещества с получением хороших метрологических характеристик.

Задачей изобретения является одновременное измерение спектрального поглощения и абсолютного значения показателя преломления жидкости или газа, в том числе и в потоке для каждой из выбранных длин волн светового излучения, а также измерение скорости упомянутого потока жидкости или газа.

Поставленная задача может быть решена за счет того, что интерферометр, содержащий оптически сопряженные источник светового излучения, отражающее зеркало, выполненное частично пропускающим световое излучение, первый тонкий частично пропускающий слой толщиной не более λ/2, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны и расположенный на одной из поверхностей клиновидного элемента, периодическую систему, содержащую фотоэлементы, расположенную позади отражающего зеркала, и спектроанализатор, дополнительно содержит второй тонкий частично пропускающий слой толщиной не более λ/2, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны, упомянутый клиновидный элемент выполнен составным из двух клиновидных частей, одна из которых выполнена в виде жидкостной или газовой кюветы, а вторая часть упомянутого составного клиновидного элемента выполнена в виде оптического клина из материала с показателем преломления n₁, при этом угол ϕ₁ между противоположными гранями упомянутой кюветы, на которых расположены соответственно упомянутые тонкий частично пропускающий слой и отражающее зеркало, задан из соотношения (n₂/n₁)(sin λ₁=λ/2d₁, где λ - длина световой волны; d₁ - период интерференционных полос, система которых образуется в первом тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, n₂ - показатель преломления жидкости или газа, заполняющего кювету, а второй тонкий частично пропускающий слой расположен на поверхности оптического клина упомянутого составного клиновидного элемента, расположенной со стороны источника светового излучения, под углом ϕ₂ между плоскостями первого и второго тонких частично пропускающих слоев, определяемым из соотношения (n₂/n₃)(sin (ϕ₂ + arcsin ((n₂/n₁) sin ϕ₁))=λ/2d₂, где d₂ - период интерференционных полос, система которых образуется во втором тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, n₃ - показатель преломления окружающей среды.

Кроме того, упомянутая жидкостная или газовая кювета может быть выполнена проточной.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема интерферометра.

Интерферометр содержит оптически сопряженные источник 1 светового излучения, отражающее зеркало 2, выполненное частично пропускающим световое излучение, первый тонкий частично пропускающий слой 3 толщиной не более λ/2, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны и расположенный на одной из поверхностей клиновидного элемента 4, периодическую систему 5, содержащую фотоэлементы 6, расположенную позади отражающего зеркала 2, спектроанализатор 7. Интерферометр дополнительно содержит второй тонкий частично пропускающий слой 8 толщиной не более λ/2, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны, клиновидный элемент 4 выполнен составным из двух клиновидных частей, одна из которых выполнена в виде жидкостной или газовой кюветы 9, а вторая часть упомянутого составного клиновидного элемента 4 выполнена в виде оптического клина 10 из материала с показателем преломления n₁, при этом угол ϕ₁ между противоположными гранями кюветы 9, на которых расположены соответственно первый тонкий частично пропускающий слой 3 и отражающее зеркало 2, задан из соотношения (n₂/n₁)(sin ϕ₁=λ/2d₁, где λ - длина световой волны; d₁ - период интерференционных полос 11, система которых образуется в первом тонком частично пропускающем слое 3 при воздействии стоячей световой волны, n₂ - показатель преломления жидкости или газа, заполняющего кювету 9, а второй тонкий частично пропускающий слой 8 расположен на поверхности оптического клина 10 составного клиновидного элемента 4, расположенной со стороны источника 1 светового излучения, под углом ϕ₂ между плоскостями первого и второго тонких частично пропускающих слоев 3, 8, определяемым из соотношения (n₃/n₂)(sin (ϕ₂ + arcsin ((n₂/n₁))=λ/2d₂, где d₂ - период интерференционных полос 12, система которых образуется во втором тонком частично пропускающем слое 8 при воздействии стоячей световой волны, n₃ - показатель преломления окружающей среды, то есть среды, заполняющей пространство между источником 1 светового излучения и вторым тонким частично пропускающим слоем 8.

Жидкостная или газовая кювета 9 может быть выполнена проточной. Отражающее зеркало 2 выполнено в виде отражающего покрытия с коэффициентом отражения 0,50-0,99 и коэффициентом пропускания 0,01-0,50. На периодическую систему 5, содержащую фотоэлементы 6, спроецировано изображение систем интерференционных полос 11 и 12. Периодическая система 5, содержащая фотоэлементы 6, выполнена в виде линейки или матрицы приборов с зарядовой связью.

Интерферометр работает следующим образом. Световой поток от источника 1 светового излучения поступает на отражающее зеркало 2, отражается от него и в виде стоячей световой волны поступает на первый тонкий частично пропускающий слой 3. За счет того, что тонкий частично пропускающий слой 3 рассеивает или поглощает энергию электрического поля стоячей световой волны и расположен наклонно, в нем образуется система интерференционных полос 11 с периодом следования d₁. При этом период следования d₁ задан из соотношения (n₂/n₁) sin ϕ₁=λ2d₁, где λ - длина световой волны; d₁ - период интерференционных полос 11, система которых образуется в первом тонком частично пропускающем слое 3 при воздействии стоячей световой волны, n₂ - показатель преломления жидкости или газа, заполняющего кювету 9. Благодаря тому, что противоположные грани кюветы 9 выполнены с углом ϕ₁ клина 1-10 минут, возможно достижение периода d₄=0,5-5 мм.

Кроме того, световой поток от источника 1 светового излучения воздействует в виде стоячей световой волны и на второй тонкий частично пропускающий слой 8. За счет того, что тонкий частично пропускающий слой 8 рассеивает или поглощает энергию электрического поля стоячей световой волны и расположен наклонно, в нем образуется система интерференционных полос 12, регистрацию которой можно осуществить в виде сигнала пространственной частоты с периодом следования d₂. При этом период следования d₂ задан из соотношения (n₁/n₃) sin (ϕ₂ + arcsin ((n₂/n₁) sin ϕ₁))=λ/2d₂, где d₂ - период интерференционных полос 12, система которых образуется во втором тонком частично пропускающем слое 8 при воздействии стоячей световой волны, n₃ - показатель преломления окружающей среды. Благодаря тому, что оптический клин 10 выполнен с углом ϕ₂=2-3 градуса, возможно получение достаточно большого количества интерференционных полос 12.

Далее изображение систем интерференционных полос 11 и 12 проецируется через частично пропускающее световое излучение отражающее зеркало 2 на периодическую систему 5, содержащую фотоэлементы 6. При этом за счет того, что оптический клин 10 выполнен с углом ϕ₂=2-3 градуса, возможно получение достаточно большого количества интерференционных полос 12, что обеспечивает достижение достаточно высокого разрешения определяемой длины волны λ светового излучения. А за счет того, что противоположные грани кюветы 9 выполнены с малым значением угла ϕ₁ клина, возможно измерение периода d₁ с высокой точностью с последующим нахождением показателя преломления n₂ жидкости или газа для каждой измеренной длины волны λ из соотношения (n₂/n₁)(sin ϕ₁=λ/2d₁.

Измерение скорости потока жидкости или газа в проточной кювете 9 осуществляется следующим образом. Так как на поток жидкости или газа в проточной кювете 9 воздействуют стоячей световой волной, то за счет эффекта увлечения средой на тонких частично пропускающих слоях 3 и 8 наблюдаются бегущие с разной скоростью (относительно друг друга) интерференционные полосы 11 и 12 и регистрацию разностной частоты двух когерентных световых волн (падающей на отражающее зеркало 2 и отраженной от него) осуществляют путем измерения временной частоты, с которой происходит перемещение бегущих интерференционных полос 11 или 12. Для этого записанные электрические сигналы подвергаются преобразованию Фурье по координате времени и в результате, после соответствующей математической обработки, находят скорость движения потока жидкости или газа в направлении распространения упомянутого светового излучения.

Предлагаемый интерферометр позволяет проводить одновременное измерение спектрального поглощения и абсолютного значения показателя преломления жидкости или газа, в том числе и в потоке для каждой из выбранных длин волн светового излучения, а также обеспечивает измерение скорости упомянутого потока жидкости или газа и может найти применение, например, в качестве универсального миниатюрного датчика для жидкостных или газовых хроматографов.

Интерферометр содержит оптически сопряженные источник светового излучения, отражающее зеркало, выполненное частично пропускающим световое излучение, первый тонкий частично пропускающий слой, расположенный наклонно на одной из поверхностей клиновидного элемента, периодическую систему, содержащую фотоэлементы, расположенную позади отражающего зеркала, второй тонкий частично пропускающий слой и спектроанализатор. Клиновидный элемент выполнен составным из двух клиновидных частей, одна из которых выполнена в виде жидкостной или газовой кюветы, а вторая часть составного клиновидного элемента выполнена в виде оптического клина, при этом первый частично пропускающий слой и отражающее зеркало расположены на противоположных гранях кюветы, а второй тонкий частично пропускающий слой расположен на поверхности оптического клина. При этом жидкостная или газовая кювета может быть выполнена проточной. Технический результат - одновременное измерение спектрального поглощения и абсолютного значения показателя преломления жидкости или газа в том числе и в потоке для каждой из выбранных длин волн светового излучения, а также обеспечение измерения скорости упомянутого потока жидкости или газа. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Интерферометр, содержащий оптически сопряженные источник светового излучения, отражающее зеркало, выполненное частично пропускающим световое излучение, первый тонкий частично пропускающий слой толщиной не более λ/2, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны, и расположенный на одной из поверхностей клиновидного элемента, периодическую систему, содержащую фотоэлементы, расположенную позади отражающего зеркала и спектроанализатор, отличающийся тем, что интерферометр дополнительно содержит второй тонкий частично пропускающий слой толщиной не более λ/2, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны, упомянутый клиновидный элемент выполнен составным из двух клиновидных частей, одна из которых выполнена в виде жидкостной или газовой кюветы, а вторая часть упомянутого составного клиновидного элемента выполнена в виде оптического клина из материала с показателем преломления n₁, при этом угол ϕ₁ между противоположными гранями упомянутой кюветы, на которых расположены, соответственно, упомянутые тонкий частично пропускающий слой и отражающее зеркало, задан из соотношения (n₂/n₁)·sin ϕ₁ = λ/2d₁, где λ - длина световой волны; d₁ - период интерференционных полос, система которых образуется в первом тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, n₂ - показатель преломления жидкости или газа, заполняющего кювету, а второй тонкий частично пропускающий слой расположен на поверхности оптического клина упомянутого составного клиновидного элемента, расположенной со стороны источника светового излучения под углом ϕ_2, между плоскостями первого и второго тонких частично пропускающих слоев, определяемым из соотношения (n₁/n₃)·sin (ϕ₂ + arcsin {(n₂/n₁) sin ϕ₁) = λ/2d₂, где d₂ - период интерференционных полос, система которых образуется во втором тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, n₂ - показатель преломления окружающей среды.2. Интерферометр по п.1, отличающийся тем, что упомянутая жидкостная или газовая кювета выполнена проточной.