Способ определения размеров броуновских частиц Советский патент 1988 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к оптике рассеивающих сред и может быть использовано для экспрессного определения по обратно рассеянному излучению размеров частиц по трассе зондирования в макронеоднородных средах с гфи- сущим каждой макронеоднородности своим размером образующих ее частиц. Цель изобретения - р.эсширение области применения способа путем определения размеров частиц в макронеоднородных средах„

В устройстве для. осуществления предлагаемого способа использован ин- терферометр Майкельсона, в одном из плеч которого расположена исследуе- мая мггкронеоднородная среда, В каче- стве источника излучения используют многомодовый лазер непрерывного дей- ствия в режиме ТЕМддп,. Длина Д1 когерентности его излучения на цент- ральной длине волны Д определяется шириной ЛЛ спектрального интервала (числом q возбужденных аксиальных мод) и имеет величину . Подбо- ром режима работы источника величину /5 Л выбирают такой, чтобы длина 41 когерентности была равна линейному ; размеру меньшей из макронеоднородно- : стей вдоль трассы зондирования. Это : условие позволяет при равенстве длиI ны опорного плеча оптической глубине

о 4

I Z- центра (j-й макронеоднородности

j регистрировать в плоскости приема I флуктуации интенсивности, обусловлен- I ные интерференцией с опорной волной света, рассеянного только частицами : соответствующей j-й макронеоднородно- I сти и точно определять их размер

Если длина dl когерентности пре- вышает линейный размер какой-либо из макронеоднородностей вдоль трассы зондирования, например -й, то, при ее диагносцировании (равенстве длины опорного плеча оптической глубине Z° области ее локализации) вклад в регистрируемый интерференционный сиг- кал будут давать не только частицы диагносцируемой k-й макронеоднородно- сти, но и рассеиватели из смежных слоев среды, что Б итоге снижает точность определения размера частиц на /ганной оптической глубине Z,,

В противоположном случае, когда длина йИ когерентности существенно., меньше размеров макронеоднородностей среды, информативные флуктуации ин тенсивностиз обусловленные интерфе

0

5

0

5

0

5

0

5

ренцией с опорной волной рассеянного света из диагноспируемого объема среды протяженностью Л.1, будут малы по сравнению с флуктуациями интенсивности (самобиениями) всего остального некогерентного с опорным полем рассеянного света и прочими помехами Из следовательно, рассмотренная ситуация невыгодна с энергетической точки зрения, так как приводит к погрешности измерений .вследствие низких отношений сигнал/шум.

Поэтому для реализации оптимальных с точки зрения точности измерений и энергетики условий длина когерентности используемого источника должна . соответствовать ожидаемому масштабу макронеоднородностей среды.

На фиг, 1 изображено устройство для осуществления предлагаемого способа; на фиг, 2 - зависимость модуля функции y(Z) временной когерентности от разности хода Z ct (где с - скорость света при разной выходной мощности Р; t время распространения аксиальной моды).

Способ осуществляют следуюш 1м образом

Излучение источника 1 делится светоделителем 2 на проходящий и отраженный пучки. Проходящий пучок - падает на зеркало 3 опорного плеча, а отраженный пучок направляется в исследуемую макронеоднородную среду 4, Указанные пучки будем называть далее опорным и . объектным. Отраженны зеркалом 3 и светоделителем 2 опорньш пучок сводится в плоскости приема (диафрагма 5) с обратно рассеянным и прошедшим через светоделитель 2 излучением.

Для удобства отсчета диагносцируемой глубины среды целесообразно провести начальное уравнивание длины Zj опорного плеча (расстояние от светоделителя 2 до зеркала 3) с расстоянием от светоделителя 2 до передней границы среды 4, Б этом случае последующее увеличение длины опорного плеча на величину Z j обеспечит в плоскости пр.иема интерференцию с опорт- ной волной лишь излучения, рассеянного объемом среды протяженностью

- с центром на оптической глубине

П о .7 / /

Zj ;/п (.где п - показатель преломления среды; 2. j - длина опорного iineна глубине

Эта интерференционная картина в плоскости приема (диафрагма 5) представляет собой сложную структуру, изменяющуюся во времени вследствие броуновского движения частиц. Флуктуация фототока i детектора 6, пропорциональные флуктуациям освещенности отверстия диафрагмы 5, назовем информационным интерференционным сигналом (ИИС). Весь остальной рас- сеянньй свет сложится с опорным полем некогерентно и не даст вклада в ИИС. При этом необходимо вьтолнение следующих условий. Во-первых, время Ну усреднения схемы регистрации должно быть существенно меньше времени -С g корреляции броуновского движения частиц, но значительно больше времени - Т когерентности излучения источника; во-вторых, размер г, диаграммы 5 перед детектором 6 должен быть меньше радиуса корреляции г однократно рассеянного диагносдируемым: объемом пот ля,-Указанные требования легко рёамикронного размера ( gor 10 с), удаленного от плоскости приема на расстояние Е / 1 м, следующие:

г.-10

b

-3

п

с -jp V2 -10

ARj

г

0,5 мм.

15

20

Одновременно с регистрацией ин- формат,ивных флуктуации интенсивности (вследствие интерференции опорной волны и когерентного ей рассеянного рвета) детектор 6 будет регистрировать и более слабые флуктуации интенсивности, порожденные интерференцией рассеянных частицами полей между собой (самобиения рассеянного света- СРС), не несущие информации о послойной структуре среды. Эти флуктуации имеют более широкий спектр и . при диагносцировании удаленных обълизуются на практике. Например, в ни- 2S среды могут искажать результаты

микронного размера ( gor 10 с), удаленного от плоскости приема на расстояние Е / 1 м, следующие:

10

-3

п

с -jp V2 -10

ARj

г

0,5 мм.

Одновременно с регистрацией ин- формат,ивных флуктуации интенсивности (вследствие интерференции опорной волны и когерентного ей рассеянного рвета) детектор 6 будет регистрировать и более слабые флуктуации интенсивности, порожденные интерференцией рассеянных частицами полей между собой (самобиения рассеянного света- СРС), не несущие информации о послойной структуре среды. Эти флуктуации имеют более широкий спектр и . при диагносцировании удаленных объgj oB среды могут искажать результаты

Изобретение относится к оптике рассеивающих сред и может быть использовано для экспрессного определения по обратно рассеянному излучению размеров частиц по трассе зондирования в макронеоднородных средах с присущим каждой неоднородности своим размером образующих ее частиц. Цель - расширение области применения путем определения размеров частиц в макронеоднородных средах. Способ заключается в использовании свойства ограниченной временной когерентности многомодовых лазеров. Излучение лазера направляется в интерферометр Май- кельсона, в одном из плеч которого вместо зеркала расположена исследуемая среда. Обратно рассеянньй свет смешивается в плоскости приема с опорной волной, приводя к образоваш-по интерференционных флуктуации интен- . сивности. Однако вследствие ограниченной длины когерентности ul. последние обусловлены взаимодействием с опорной волной лишь части рассеянного излучения, приходящего из объема среды протяженностью порядка Л1 с глубины, определяемой длиной опорного пл еча. Измеряя ее величину и измеряя всякий раз полуширину спектра мощности флуктуации, рассчитываются размеры частнц на каждой глубине макронеоднородной среды с разрешением порядка длины когерентности излучения. 2 ил. i (Л IND 00 ел

жеописанном эксперименте при использовании лазерного излучения с,, длиной когерентности, равной Л 6 см, /З а с и диаметре зондирующеизмерений полуширины спектра мощности ИИС, Для оценки вклада СРС в кор реляционную функцию К (f, Z :} фотото |Ка i (Фурье-преобразование которой

го пучка, равном 2 г о, 2 мм, условия 30 определяет спектр мощности флуктуаций и соответственно его полуширину) необходимо воспользоваться соотношением:

регистрации информационного интерференционного сигнала-от j-ro диагно- сцируемого объема среды с частицами

KU, zp i(t, z°) i( +. 2p

ClV(z;)rj(z;) l-J E,(t. гр i j.(2nZ - 2nzpjz H.

+ CI

(uB}

riH(Z))

(RO + z)4

де С - постоянная;

I - интенсивность источника

света; .4 S - площадь поперечного сечения

зондирующего пучка; D - время излучения источника; А и Р - соответственно коэффициент

45

обра:тного рассеяния частицы и концентрация частиц; R(, - расстояние от поверхности среды до плоскости приема; - модуль функции временной

когерентности излучения источника;g( J, Z) - корреляционная функция бро- 55 уновского движения частиц на глубине Z среды; T(Z) --пропускание среды до.глубины Z, равное ехр-( | E(z )d

50

измерений полуширины спектра мощности ИИС, Для оценки вклада СРС в корреляционную функцию К (f, Z :} фотото- |Ка i (Фурье-преобразование которой

ций и соответственно его полуширину), необходимо воспользоваться соотношением:

(1)

I (2nZ - 2nZ )dZ JZ

45

- ;,;показатель ослабления .направленного излучения; п - показатель преломления; Z - оптическая глубина; J - уровень неоднородности.

Соотношение (1) пол учено для дальнейшей зоны приема в предположени- ях однократности рассеяния и малости изменения оптических характеристик среды на расстояниях порядка длины Д1 когерентности. Первый член определяет вклад в К(1, Zj) информативного интерференционного сигнала, второй - самобиений рассеянного света (СРС). Если микрофизические параметры среды неизвестны, то вклад СРС может быть оценен экспериментально при перекрытом опорном пучке. ,

Полученная зависимость (Z) представлена графически на фиг. 2, где кривая 7 соответствует (Z) при Р 20 мВт, кривая 8 соответствует v(Z) при Р 130 мВт, кривая 9 соответствует y(Z) при Р 270 мВт и кривая 10 соответствует v(Z) при Р , 720 мВт.

Формула изобретения

Способ определения размеров броуновских частиц, основанньй на облучении среды со взвешенными в ней частицами пучком когерентного лазерного излучения, регистрации полуширины спектра мощности флуктуации интенсивности обратно рассеянного средой излучения и расчете по ней разме- ра частиц, о тлич ающий ся тем, что, с целью расширения области применения путем определения разме- . ров-частиц в макронеоднородньгх средах, длину когерентности 1 излуче-

j

0

5 20 5

ния источника выбирают равной меньшему размеру макронеоднородностей вдоль трассы зондирования, разделяют исходное лазерное излучение на объектный и опорный пучки, облучают объектным пучком исследуемую среду, сводят в плоскости приема опорный пучок и обратно рассеянное средой излучение, проводят начальное урав- нива.1-ше до плоскости приема оптических путей опорного излучения и света, отраженного передней границей среды, увеличивают оптический путь опорного излучения на величину Z, равную оптической глубине среды, на которой с с пространственным.разрешением 1 определяется размер частиц и регистрируют при каждом Zi полуширину спектра мощности флуктуации интенсивности, обусловленных интерференцией опорной волны и излучения, рассеянного диагносцируемым объемом среды протяженностью Л1 с центром на глубине Z°,

0.