Лазерный доплеровский микроскоп Советский патент 1984 года по МПК G01P5/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использов.ано для измерения лоКальной скорости жидких сред, обладающих естественной либо наведённой оптической активностью.5

Известен лазерный доплеровский микроскоп, состоящий из лазера, устройства сдвига частоты, расщёпителя, двух зеркал, направляющих два пучка под углом друг к другу в 10 область измерения, двух фокусирующих объективов е, собирающего объектива, фотоприемника, диафрагмы и измерителя доплеровской частоты l) .

Недостатком известного устройст- 15 ва является низкая чувствительность, что ограничивает применение схемы при измерении малых скоростей потоков. .

Наиболее близким к предлагаемому 20 является лазерный доплеровский микроскоп, который содержит лазер и оптически согласованные с ним расщепитель, устройство сдвига частоты, две светоотражательные системы, js два соосно установленных фокусирующих объектива, приемный объектив, оптическая ось которого ортогональна оптической оси фокусирующих объективов, фотоприемник и измеритель доплеровской частоты 2J .

Недостатком известного лазерного доплеровского микроскопа является низкая его помехоустойчивость при . измерении скорости жидких сред, обладанвдих естественной, или наве- . 35 денной оптической активностью, что приводит к понижению точности измерений скорости. Как показывает тео-. ретйческий анализ и экспериментальное исследование известной схемы, 40 величина доплеровского сигнала в значительной степени зависит от направления приема рассеянного излучения в плоскости, перпендикулярной зондирующим пучкам, которые 45 имеютсогласованные линейные состояния поляризации. Поэтому при измерении скорости в оптически активной среде, например в сахарным растворах, из-за вращения плоскости поляриза- ел цИИ активной средой может оказыть ся что доплеровский сигнал будет |очень незначителен по амплитуде

или даже равен нулю. .

I ,.

Цель изобретения - повышение точ- 55 ности измерений скорости в оптически активных средах.

Поставленная цель достигается тем, что В лазерный доплеровский микроскоп, содержащий лазер и оп- 60 тически согласованные с ним расщепитель, устройство сдвига частоты, две светоотражательные системы, два соосно установленных фокусирующих объектива, приемный объектив, опти- 5

ческая ось которого ортогональна оптической оси фокусирующих объективов , фотоприемники измеритель доплеровской частоты, введены две четвертьволновые фазовые пластин.ки, установленные между светоотражaтeльны af системами и фокусирующими объективами с возможностью углового смещения вокруг своей оптической оси.

На фиг.1 представлена блок-схейа лазерного доплеровского микроскопа; на фиг.2 - теоретическая и экспериментальная зависимости амплитуды доплеровского сигнёша в плоскости ОХЧ отугла Ч при линейных согласованных поляризациях зондирующих пучков; на фиг.З - зависимость амплитуды доплеровского сигнала в плоскости О XV от угла Ц при kpyгoвыx взаимно ортогональных полйризациях зондирующих пучков

Лазерный доплеровский микроскоп содержит лазер 1, излучающий линейно поляризованный луч 2, расщепитель 3, делящий луч 2 на два луча 4 и 5, устройство б сдвига частоты, светоотражательные системы 7 и 8, четвертьволновые фазовые пластинки 9 и 10, фокусирующие объективы 11 и 12, кювету 13, по которой движется оптически активная среда,- приемныйобъектив 14, оптическая ось которого ортогональна оси зондируквдих пучков, направленных в измеряемую среду навстречу друг другу рассеянный пучок 15 света, фотоприемник 16 и измеритель 17 доплеровской частоты.

Четвертьволновые фазовые пластинки 9 и 10 установлены с возможностью углового перемещения вокруг оптической оси. Перед началом работы четвертьволновые фазовые пластинки 9 и 10 ориентируют так, чтобы в области измерения распространялись навстречу друг другу два пучка со взаимно ортогональными круго1Ыми поляризациями.

Лазерный доплеровский микроскоп работает следующим образом.

Лазер 1 излучает вертикально поляризованный луч 2, который делится расщепителем 3 на два луча 4 и 5. Луч 5 с помощью устройства 6 сдвига частоты, смещается по частоте на величину im Далее два луча различной частоты 4 и 5 при помощи светоотражательньос систем 7 и 8 фокусирующих объективов 11 и 12 направляются навстречу друг другу в исследуемую оптически активную среду, движущуюся со скоростью V по кювете 13. Рассеянный свет 15 собирается приемным объективом 14 и направляется на фотоприемник 16/ выход которого, подключен к измерителю 17 доплеровской частоты.

Предположим, что два зондирующих пучка, направленных в исследуемый поток, имеют линейные согласованные поляризации, например, вертикальные. Колебание электрического вектора совпадает с осью ОХ. Для этого случая на фиг.2 представлена теоретически расчитанная на основе векторной теории Ми зависимость амплитуды доплеровского сигнала на выходе фотоприемника 18 и эксперименталёная зависимость 19 от направ.ления наблюдения cf рассеянного излучения в плоскости ОХY где4f - угол между осью Ох и направлением приема рассеянного поля. В качестве рассеивающих центров используются сферические частицы полистирола d 1,5 мкм. Анализ зависимости показывает, что если измеряемая среда осуществляет, поворот плоскости поляризации, то может возникнуть ситуация, когда рассеянное излучение,

принимаемое фотоприемником, будет . бзаимно ортогональным, и следова-.

тельно, доплеровский сигнал равен нулю. Т.е. отношение сигнал/шум при измерении, например, в сахарных растворах зависит от концентрации раствора и толщины слоя раствора ( на фиг.1), через который проходит зондирующий пучок.

Для исключения этого влияния и повьшёния отношения сигнал/шум в схеме установлены две четвертьволйовые пластинки 9 и 10, преобразующие сос.тояния поляризации эондирующих лучей в круговые взаимно ортогональные поляризации. Если найстречу друг другу распространяются,два луча, имеющие круговые взаимно ортогональные поляризации, то в этЪмслучае отсутствует интерференция двух волн - периодическое распределение интенсивности вдоль оси пучков. Несмотря на это, амплитуда доплеровского сигнала при взаимно ортогональных круговых поляризациях

10 15 встречных пучков, как показывают расчеты на основе векторной теории рассеяния, подтвержденные экспериментальными исследованиями схемы, превышает в 2,2 раза амплитуду доплеровского сигнала при круговых согласованных поляризациях встречных пучков,.т.е. когда в пространстве существует стоячая волна с периодическим распределением интенсивности вдоль оси пучка (при0 25 круговых согласованных поляризациях существует интерференционная картина). Кроме того, при круговых взаимно ортогональных поляризациях доплеровский сигнал в плоскости ОХ Y не зависит от угла Cf (фиг-.3) и, следовательно, схема обеспечивает высокое отношение сигнал/шум для любых оптически активных сред с различным удельным вращением.

0

Предлагаемое устройство в отличие от известного позволяет с высокой помехоустойчивостью измерять локальные скорости движения жидких

5 сред, обладающих естественной либо наведенной оптической активностью.

0

лон.

//

70

фиг. 2

7Л

225

itp

У9

,/IUM.

Jf

max

jrff

ЛАЗЕРНЫЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ MHKPOCIfon, содержащий лазер и оптически согласованные с ним расще питель, устройство сдвига частоты, две светоотражательные системы, два соосно установленных фокусирующих объектива, приемный объектив, оптическая ось которого .ортогональна оптической оси фокусирующих объ ктивов, фотоприемник и измеритель доплеровской частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений скорости в оптически активных средах, в него введены две четвертьволновые Фазовые пластинки, установленные между светоотражательными системами и фокусирующими объективами с возможностью утового смещения вокруг своей оптической оси.и (Л о СП 00