Голографическое устройство для изучения быстропротекающих процессов

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована для изучения двухфазных потоков «твердые частицы - газ» в экспериментальной газовой динамике, для исследования структуры потока частиц, образующихся в запреградной зоне при взаимодействии движущегося тела с преградой, в механике разрушения твердых тел, при обтекании движущихся тел в условиях баллистических установок, для диагностики факелов в энергетических топках котлов и в других областях. Задачей предлагаемой полезной модели является расширение технологических возможностей при голографическом изучении структуры потока и состояния поверхности движущегося тела в этом потоке за счет обеспечения возможности, за время одной экспозиции, регистрации двух голограмм, одна из которых соответствует просвечиванию исследуемого объекта прямопрошедшим объектным пучком, а другая соответствует диффузно отраженному объектному пучку с диффузно рассеянным объектным пучком. Технический результат достигается тем, что в голографическое устройство для изучения быстропротекающих процессов, содержащее оптически связанные лазер, первую светоделительную пластину для разделения лазерного пучка на первый объектный пучок и первый опорный пучок, первый коллиматор, первую систему зеркал для ввода первого объектного пучка в первый коллиматор, второй коллиматор, вторую систему зеркал для ввода первого опорного пучка во второй коллиматор, рабочую камеру с исследуемым объектом, имеющей защитные окна, первый проекционный объектив, узел регистрации первой голограммы, при этом первый коллиматор установлен перед рабочей камерой, второй коллиматор установлен между рабочей камерой и узлом регистрации первой голограммы, вторая система зеркал и второй коллиматор установлены с возможностью формирования первого опорного пучка для регистрации первой голограммы, а первый проекционный объектив установлен в первом объектном пучке между рабочей камерой и узлом регистрации первой голограммы, согласно предлагаемой полезной модели, дополнительно введены вторая светоделительная пластина, второй проекционный объектив, узел регистрации второй голограммы, третья система зеркал и третий коллиматор, при этом вторая светоделительная пластина установлена под углом к оптической оси, с возможностью разделения первого объектного пучка на второй объектный пучок, направление которого совпадает с первым объектным пучком, и второй опорный пучок, второй проекционный объектив установлен между второй светоделительной пластиной и узлом регистрации второй голограммы, причем второй объектный пучок, достигая поверхности исследуемого объекта, диффузно рассеивается на его поверхности и поступает в обратном ходе на вторую светоделительную пластину и во второй проекционный объектив, третья система зеркал и третий коллиматор установлены с возможностью формирования второго опорного пучка для регистрации второй голограммы, при этом устройство выполнено с возможностью регистрации, за время одной экспозиции, первой и второй голограмм, причем первая голограмма соответствует просвечиванию исследуемого объекта первым объектным пучком, а вторая голограмма соответствует диффузно отраженному второму объектному пучку. 1 ил.

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована для изучения двухфазных потоков «твердые частицы - газ» в экспериментальной газовой динамике, для исследования структуры потока частиц, образующихся в запреградной зоне при взаимодействии движущегося тела с преградой, в механике разрушения твердых тел, при обтекании движущихся тел в условиях баллистических установок, для диагностики факелов в энергетических топках котлов и в других областях.

Известно голографическое устройство (см. Поляков С.Н., В.Т. Черных. Толографический метод диагностики двухфазных потоков при высокоскоростном разрушении твердых материалов", Известия СО АНСССР, серия технических наук, вып. 4, 1990 г. с. 136-139), содержащее лазер, осветительные и приемные части объектных ветвей, выполненные на основе сферических зеркал, коллиматоры опорных ветвей, установленные между рабочей зоной и узлом регистрации голограммы, и собственно узел голограммы.

Известно также голографическое устройство (см. В.Т. Черных, А.Ф. Белозеров. Авторское свидетельство SU 469882, МПК G01B 9/02, 05.05.1975), содержащее источник когерентного излучения, светоделительную пластину, оптическую систему с возможностью формирования опорной и объектной ветвей, дифракционный элемент перед исследуемым объектом и узел регистрации голограммы.

Прототипом является голографическое устройство (см. Исследование движения тела в двухфазных потоках голографическом методом / Духовский И.А., Ковалев П.И., Разумовская А.И., Черных В.Т. Оптика и спектроскопия, т. 63, вып. 5, с.с. 1105-1108, 1987 г.), содержащее лазер, светоделитель для образования опорной и объектной ветвей, коллиматоры с возможностью формирования световых полей, систему зеркал, установленных вдоль оптических осей объектной и опорной ветвей, рабочую зону, проекционный объектив и узел регистрации голограммы.

Недостатком известных голографических устройств является ограниченные технологические возможности голографической визуализации структуры двухфазного потока при изучении ансамбля частиц, образующегося при взаимодействии тела, движущегося с большой скоростью, с преградой, а также невозможность получения информации о состоянии поверхности движущегося тела, обусловленные тем, что посредством известных голографических устройств за время одного эксперимента визуализируют поток только в одном направлении просвечивания.

Однако на практике представляет несомненный интерес получение сведений не только о внутренней структуре двухфазного потока (размер частиц, их форма и т.д.), но и о состоянии поверхности движущегося тела.

Задачей предлагаемой полезной модели является расширение технологических возможностей при голографическом изучении структуры потока и состояния поверхности движущегося тела в этом потоке за счет обеспечения возможности, за время одной экспозиции, регистрации двух голограмм, одна из которых соответствует просвечиванию исследуемого объекта прямопрошедшим объектным пучком, а другая соответствует диффузно отраженному объектному пучку с диффузно рассеянным объектным пучком.

Технический результат достигается тем, что в голографическое устройство для изучения быстропротекающих процессов, содержащее оптически связанные лазер, первую светоделительную пластину для разделения лазерного пучка на первый объектный пучок и первый опорный пучок, первый коллиматор, первую систему зеркал для ввода первого объектного пучка в первый коллиматор, второй коллиматор, вторую систему зеркал для ввода первого опорного пучка во второй коллиматор, рабочую камеру с исследуемым объектом, имеющей защитные окна, первый проекционный объектив, узел регистрации первой голограммы, при этом первый коллиматор установлен перед рабочей камерой, второй коллиматор установлен между рабочей камерой и узлом регистрации первой голограммы, вторая система зеркал и второй коллиматор установлены с возможностью формирования первого опорного пучка для регистрации первой голограммы, а первый проекционный объектив установлен в первом объектном пучке между рабочей камерой и узлом регистрации первой голограммы, согласно предлагаемой полезной модели, дополнительно введены вторая светоделительная пластина, второй проекционный объектив, узел регистрации второй голограммы, третья система зеркал и третий коллиматор, при этом вторая светоделительная пластина установлена под углом к оптической оси, с возможностью разделения первого объектного пучка на второй объектный пучок, направление которого совпадает с первым объектным пучком, и второй опорный пучок, второй проекционный объектив установлен между второй светоделительной пластиной и узлом регистрации второй голограммы, причем второй объектный пучок, достигая поверхности исследуемого объекта, диффузно рассеивается на его поверхности и поступает в обратном ходе на вторую светоделительную пластину и во второй проекционный объектив, третья система зеркал и третий коллиматор установлены с возможностью формирования второго опорного пучка для регистрации второй голограммы, при этом устройство выполнено с возможностью регистрации, за время одной экспозиции, первой и второй голограмм, причем первая голограмма соответствует просвечиванию исследуемого объекта первым объектным пучком, а вторая голограмма соответствует диффузно отраженному второму объектному пучку.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная оптическая схема предлагаемого голографического устройства для изучения быстропротекающих процессов.

Цифрами на чертеже обозначены:

1 - лазер,

2 - первая светоделительная пластина,

3, 4 - первая система зеркал,

5 - первый коллиматор,

6 - рабочая камера с исследуемым объектом,

7 - защитные окна рабочей камеры,

8 - первый проекционный объектив,

9 - узел регистрации первой голограммы,

10, 11, 12, 13 - вторая система зеркал,

14 - второй коллиматор,

15 - вторая светоделительная пластина,

16 - второй проекционный объектив,

17 - узел регистрации второй голограммы,

18, 19, 20, 21 - третья система зеркал,

22 - третий коллиматор,

W_об - первый объектный пучок,

- второй объектный пучок,

W_оп - первый опорный пучок,

- второй опорный пучок.

Голографическое устройство содержит оптически связанные лазер 1, первую светоделительную пластину 2 для разделения лазерного пучка на первый объектный пучок W_об и первый опорный пучок W_оп первый коллиматор 5, первую систему зеркал 3, 4 для ввода первого объектного пучка W_об в первый коллиматор 5, второй коллиматор 14, вторую систему зеркал 10, 11, 12, 13 для ввода первого опорного пучка W_оп во второй коллиматор 14, рабочую камеру 6 с исследуемым объектом, имеющей защитные окна 7, первый проекционный объектив 8, узел 9 регистрации первой голограммы, при этом первый коллиматор 5 установлен перед рабочей камерой 6, второй коллиматор 14 установлен между рабочей камерой 6 и узлом 9 регистрации первой голограммы, вторая система зеркал 10, 11, 12, 13 и второй коллиматор 14 установлены с возможностью формирования первого опорного пучка W_оп для регистрации первой голограммы, а первый проекционный объектив 8 установлен в первом объектном пучке W_об между рабочей камерой 6 и узлом 9 регистрации первой голограммы.

Отличием предлагаемого голографического устройства для изучения быстропротекающих процессов является то, что в него дополнительно введены вторая светоделительная пластина 15, второй проекционный объектив 16, узел 17 регистрации второй голограммы, третья система зеркал 18, 19, 20, 21 и третий коллиматор 22, при этом вторая светоделительная пластина 15 установлена под углом к оптической оси, с возможностью разделения первого объектного пучка W_об на второй объектный пучок , направление которого совпадает с первым объектным пучком W_об, и второй опорный пучок , второй проекционный объектив 16 установлен между второй светоделительной пластиной 15 и узлом 17 регистрации второй голограммы, причем второй объектный пучок , достигая поверхности исследуемого объекта, диффузно рассеивается на его поверхности и поступает в обратном ходе на вторую светоделительную пластину 15 и во второй проекционный объектив 16, третья система зеркал 18, 19, 20, 21 и третий коллиматор 22 установлены с возможностью формирования второго опорного пучка для регистрации второй голограммы, при этом устройство выполнено с возможностью регистрации, за время одной экспозиции, первой и второй голограмм, причем первая голограмма соответствует просвечиванию исследуемого объекта первым объектным пучком W _об, а вторая голограмма соответствует диффузно отраженному второму объектному пучку .

Принцип действия предлагаемого голографического устройства заключается в следующем.

Когерентный световой пучок от лазера 1 с помощью первой светоделительной пластины 2 делится на первый объектный W_об и первый опорный W_оп световые пучки. Эти пучки поступают, посредством первой системы зеркал 3, 4 и второй системы зеркал 10, 11, 12, 13, соответственно, в коллиматоры 5 и 14.

В первом объектном пучке W_об между первым коллиматором 5 и рабочей камерой 6 установлена вторая светоделительная пластина 15 под углом к оптической оси. Первый объектный пучок проходит через вторую светоделительную пластину 15, рабочую камеру 6, первый проекционный объектив 8, который осуществляет оптическое сопряжение рабочей зоны камеры 6 с плоскостью узла 9 регистрации первой голограммы, и поступает в него, как прямопрошедший объектный пучок, где интерферирует с первым опорным пучком W_оп .

Прошедший сквозь вторую светоделительную пластину 15 первый объектный пучок W_об, достигая поверхности исследуемого объекта, находящегося в рабочей камере 6, рассеивается на ее поверхности. Рассеянный на поверхности исследуемого объекта пучок (второй объектный пучок ) в обратном ходе поступает на вторую светоделительную пластину 15 и попадает в апертуру второго проекционного объектива 16. Объектив 16 сопрягает рабочую зону камеры 6 с плоскостью узла 17 регистрации второй голограммы. Во второй опорный пучок ., отраженный от второй светоделительной пластины 15, установлена третья система зеркал 18, 19, 20, 21 и третий коллиматор 22, с возможностью формирования опорного пучка для регистрации второй голограммы в узле 17, куда также поступает диффузно рассеянный объектный пучок (второй объектный пучок ). При суперпозиции второго опорного пучка и второго объектного пучка в плоскости узла 17 регистрируется вторая голограмма.

Посредством предлагаемого голографического устройства появляется реальная возможность за время одной экспозиции регистрировать две голограммы, одна из которых соответствует просвечиванию исследуемого объекта прямопрошедшим первым объектным пучком W_об , а другая соответствует диффузно отраженному второму объектному пучку , что является весьма эффективным средством при изучении (измерении) быстропротекающих во времени объектов.

Восстановленный волновой фронт с первой голограммы дает возможность изучать структуру двухфазного потока (размер частиц, их форму, концентрацию и др.), а при реконструкции второй голограммы - оценивать состояние поверхности тела, движущегося, например, в том же потоке, но при наличии твердых частиц.

Таким образом, предлагаемая полезная модель может найти применение при решении различных экспериментальных задач в физике горения, в баллистике, в газовой динамике, при изучении процессов смешения, воспламенения и горения компонент топлив в энергетических установках и в других областях.

Голографическое устройство для изучения быстропротекающих процессов, содержащее оптически связанные лазер, первую светоделительную пластину для разделения лазерного пучка на первый объектный пучок и первый опорный пучок, первый коллиматор, первую систему зеркал для ввода первого объектного пучка в первый коллиматор, второй коллиматор, вторую систему зеркал для ввода первого опорного пучка во второй коллиматор, рабочую камеру с исследуемым объектом, имеющую защитные окна, первый проекционный объектив, узел регистрации первой голограммы, при этом первый коллиматор установлен перед рабочей камерой, второй коллиматор установлен между рабочей камерой и узлом регистрации первой голограммы, вторая система зеркал и второй коллиматор установлены с возможностью формирования первого опорного пучка для регистрации первой голограммы, а первый проекционный объектив установлен в первом объектном пучке между рабочей камерой и узлом регистрации первой голограммы, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены вторая светоделительная пластина, второй проекционный объектив, узел регистрации второй голограммы, третья система зеркал и третий коллиматор, при этом вторая светоделительная пластина установлена под углом к оптической оси с возможностью разделения первого объектного пучка на второй объектный пучок, направление которого совпадает с первым объектным пучком, и второй опорный пучок, второй проекционный объектив установлен между второй светоделительной пластиной и узлом регистрации второй голограммы, причем второй объектный пучок, достигая поверхности исследуемого объекта, диффузно рассеивается на его поверхности и поступает в обратном ходе на вторую светоделительную пластину и во второй проекционный объектив, третья система зеркал и третий коллиматор установлены с возможностью формирования второго опорного пучка для регистрации второй голограммы, при этом устройство выполнено с возможностью регистрации, за время одной экспозиции, первой и второй голограмм, причем первая голограмма соответствует просвечиванию исследуемого объекта первым объектным пучком, а вторая голограмма соответствует диффузно отраженному второму объектному пучку.

РИСУНКИ