Интерферометрическое устройство для проведения динамического локально-распределительного анализа в многокомпонентных прозрачных средах

Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно, к многочастотной лазерной интерферометрии, и может быть использована для in situ измерений распределения концентраций индивидуальных веществ по пространственным координатам в реальном масштабе времени в многокомпонентных прозрачных средах (растворах, газах и т.д.). Технический результат заключается в измерении локальных концентраций в многокомпонентных прозрачных средах в реальном масштабе времени с минимизацией измерительных погрешностей. Для достижения данного технического результата вместо нескольких разночастотных лазеров применялся один аргон-криптоновый лазер ЛГН-503 (ОАО «Плазма», г.Рязань) с регулируемой мощностью излучения до 1 Вт, дающий одновременное излучение четырех разночастотных оптических потоков. Также в устройство входят блоки интерферометра по схеме Маха-Цендера, оптическая ячейка с исследуемой прозрачной средой, проектирующая оптическая система, в которую введены три полупрозрачные пластины и четыре селективные к одной определенной длине волны интерференционных полосовых светофильтра, и блок регистрации.

Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно, к многочастотной лазерной интерферометрии, и может быть использована для in situ измерений распределения концентраций индивидуальных веществ по пространственным координатам в реальном масштабе времени в многокомпонентных прозрачных средах (растворах, газах и т.д.).

Известны аналоговые голографические устройства для измерения локальных концентраций веществ в многокомпонентных прозрачных средах, принцип работы которых основан на применении нескольких монохроматических источников света с различными длинами волн и аддитивности показателя преломления как функции концентрации компонентов. Голографические устройства двухчастотной интерферометрии используются для определения распределения плотности отдельных компонентов газовой смеси [А.с. 268732 (СССР)], разделения вклада электронов и тяжелых частиц в рефракцию плазмы [Г.В.Островская. Голографическая диагностика плазмы (обзор) / ЖТФ, 2008, Т. 78, Вып.9. С.1-28], применяется для исследования лазерной искры [Komissarova I.I., Ostrovskaya G.V., Shapiro L.L., Zaidel A.N. Two-wavelength holography of a laser spark // Phis. Lett. A. 1969. Vol.29. N. 5 P.262-263; Комиссарова И.И., Островская Г.В., Шапиро Л.Л. Голографические исследования лазерной искры. II. Двухдлинноволновая интерферометрия // ЖТФ. 1970. Т.40. Вып.5. С.1072-1080] и измерения концентрационного распределения в двухкомпонентных растворах [S.Kawai, Y.Fukunaka, S.Kida Numerical simulation of mass-transfer rates with natural convection in CuSО₄-Н₂SО₄ solution. II. Comparison between numerical calculations and optical measurements // Journal of The Electrocamical Society, 156 (9). 2009. P.109-114; Denpo К., Okumura O., Fukunaka Y., Kondo Y. Measurement of concentration profiles of Cu²⁺ ion and H⁺ ion near a plane vertical cathode by two-wavelength holographic interferometry // J. Electrochem. Soc. - 1985. - Vol.132, 5. - P.I 145-1050; A. Ecker Two-wavelength holographic technique for simultaneous measurement of temperature and concentration during the solidification of two component systems / American Institute of Astronautics, Inc., 1987. P.1-6; El-Wakil M.M. An interferometric technique for measuring binary diffusion coefficients // Heat Transfer. - 1969. - 91, Ser. С. - P.259-267]. Известно голографическое устройство с тремя монохроматическими источниками света, которое было реализовано при исследованиях плазмы лазерного факела на калиевой мишени [Оптическая голография / под ред. Ю.Н.Денисюка и Ю.И.Островского / Ленинград: Изд-во Наука, 1975. С.97].

Однако известные устройства практически не позволяют проводить регистрацию концентрационных изменений в динамике при нестационарных быстропротекающих процессах, так как необходимо предварительно получение голограммы эталонного объекта (среды).

Известные установки с голографической регистрацией в реальном времени не обеспечивают стабильности и высокой достоверности результатов измерений вследствие низкой контрастности интерференционных полос [Ю.И.Островский. Голография и ее применения. - Л.: Наука, 1973. - С.32], проблем записи и обработки голограмм, требующих применения гиперсенсибилизированных фотоматериалов с высокой степенью оптической однородности и значительного времени их проявления [Патент РФ 2188390]. Недостатком известных способов регистрации многочастотной голограммы является требование получения оптимального соотношения интенсивности излучения различных длин волн, необходимого для экспозиции фотопленки.

Наиболее близким техническим решением является устройство-прототип двухчастотного оптического лазерного интерферометра на основе схемы Маха-Цендера [Шапошник В.А., Васильева В.И., Сурия Р., Праслов Д.Б. Локально-распределительный анализ бинарных растворов методом двухчастотной лазерной интерферометрии // ЖАХ. 1990. - Т. 45. 5. - С.961-964], в котором пучки света от двух монохроматических источников излучения соединяют в один, коллимируют и разделяют светоделительным зеркалом на два световых потока (измерительный и опорный лучи). Измерительный луч проходит через оптическую ячейку с исследуемой прозрачной средой, совмещается с опорным лучом, давая две пространственно совмещенные разночастотные интерференционные картины, которые проектируются оптической системой на экран и поочередно регистрируются в виде отдельных фотоснимков.

Основными недостатками известного устройства-прототипа являются его применимость для измерений концентраций только двух компонентов и лишь при стационарных процессах, а также измерительные погрешности, связанные с эффектом продольной хроматической аберрации и проблемами жестких требований к оптическим характеристикам светоделительного зеркала и точности совмещения монохроматических пучков света с разной длиной волны для создания луча с одной оптической осью.

Предлагаемое интерферометрическое устройство позволяет избежать недостатков известных голографических и оптических интерферометрических систем.

Технический результат заключается в измерении локальных концентраций в многокомпонентных прозрачных средах в реальном масштабе времени с минимизацией измерительных погрешностей.

Технический результат достигается тем, что вместо обычно применяемых нескольких лазеров с различными длинами волн в данной полезной модели используется один аргон-криптоновый лазер ЛГН-503 (ОАО «Плазма», г.Рязань) с регулируемой мощностью излучения до 1 Вт, дающий одновременное излучение четырех разночастотных оптических потоков (476,5 нм, 488,0 нм, 514,5 нм, 647,1 нм). Другим отличием устройства является то, что конструктивные особенности проектирующей оптической системы, в которую введены три полупрозрачные пластины и четыре селективные к одной определенной длине волны интерференционных полосовых светофильтра, дают возможность формировать пространственно разнесенные разночастотные интерференционные картины, что позволяет проводить динамический локально-распределительный анализ многокомпонентных прозрачных сред. Повышение точности, выигрыш в чувствительности и селективности интерферометрических измерений по сравнению с известными устройствами достигается увеличением числа монохроматических источников света.

На фиг.1 изображена схема устройства

В устройство входят четыре основных блока: блок источника света, интерферометр Маха-Цендера, проектирующая оптическая система и блок регистрации, а также оптическая ячейка с исследуемой прозрачной средой. Первый блок содержит лазерный четырехчастотный источник монохроматического излучения 1 с коллиматором 2. Интерферометр по схеме Маха-Цендера состоит из полупрозрачной пластины 3, делящей многочастотный луч на два световых потока (измерительный и опорный лучи), оптической ячейки 4 с исследуемой прозрачной средой, прошедший через которую объектный луч отражается зеркалом 5, оптического фильтра 6, регулирующего соотношение интенсивностей световых потоков, полупрозрачной светоделительной пластины 7 для совмещения измерительного и опорного пучков. Проектирующая оптическая система содержит последовательно установленные проектирующую линзу 8, три полупрозрачных пластины 9, четыре селективных к одной определенной длине волны интерференционных полосовых светофильтра 10 (BPF476\5 (₁=476,5 нм), BPF488\5 (₂=488,0 нм), BPF514\8 (₃=514,5 нм), BPF647\8 (₄=647,1 нм)), позволяющих локализовать в разных точках пространства разночастотные интерференционные картины. В блок регистрации входят четыре видеокамеры 11, установленные на различном фокусном расстоянии от проектирующей линзы 8, что позволяет устранить эффект продольной хроматической аберрации, и компьютер 12.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Излучение четырехчастотного лазера проходит через блок интерферометра с исследуемой прозрачной средой. В результате совмещения измерительного и опорного лучей в выходной плоскости интерферометра наблюдаются четыре пространственно совмещенные разночастотные интерференционные картины, которые с помощью проектирующей оптической системы локализуются в разных точках пространства. Регистрирующие устройства (видеокамеры) одновременно передают информацию о четырех разночастотных интерферограммах на компьютер, обрабатывающий и выдающий получаемую информацию в удобной для дальнейшего анализа форме.

Интерферометрическое устройство для проведения динамического локально-распределительного анализа в многокомпонентных прозрачных средах, состоящее из блока источников монохроматического излучения, интерферометра по схеме Маха-Цендера, оптической ячейки с исследуемой прозрачной средой, проектирующей оптической системы с последовательно установленными линзой, полупрозрачными пластинами, селективными к одной определенной длине волны интерференционными полосовыми светофильтрами и устройства, регистрирующего интерференционные картины (видеокамеры), отличающееся тем, что в блок источников света установлен один аргон-криптоновый лазер, дающий одновременное излучение четырех разночастотных оптических потоков, при этом в проектирующую оптическую систему введены три полупрозрачные пластины и четыре селективные к одной определенной длине волны интерференционных полосовых светофильтра, причем в блоке регистрации использованы четыре видеокамеры, установленные на различном фокусном расстоянии от проектирующей линзы.