Лазерный интерферометр

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована для диагностики неоднородностей в прозрачных средах, а именно, в физике горения при исследовании процессов смешения, воспламенения и горения топлив, в экспериментальной газовой динамике, прикладной аэродинамике при изучении обтекания тел, в гидродинамике для диагностики процессов диффузии в жидких средах, а также в других аналогичных областях. Задачей предлагаемой полезной модели является снижение ошибки измерений при изучении быстропротекающих процессов за счет обеспечения возможности получения интерферограммы в один момент измерений. Технический результат достигается тем, что в лазерный интерферометр, содержащий оптически связанные источник когерентного излучения, коллиматор, дифракционный элемент для разделения волнового фронта по амплитуде и фазе на объектный волновой фронт нулевого порядка дифракции и опорный волновой фронт первого порядка дифракции, рабочую зону с фазовым объектом, зеркало объектного волнового фронта, установленное после рабочей зоны, зеркало опорного волнового фронта и узел наблюдения интерферограммы, при этом зеркала объектного и опорного волновых фронтов установлены перпендикулярно оптической оси, согласно настоящей полезной модели, введен проекционный объектив, установленный между дифракционным элементом и рабочей зоной с возможностью сопряжения плоскости исследуемого фазового объекта с плоскостью узла наблюдения интерферограммы при обратном ходе, сквозь дифракционный элемент, объектного волнового фронта нулевого порядка дифракции и опорного волнового фронта первого порядка дифракции. 1 ил.

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована для диагностики неоднородностей в прозрачных средах, а именно, в физике горения при исследовании процессов смешения, воспламенения и горения топлив, в экспериментальной газовой динамике, прикладной аэродинамике при изучении обтекания тел, в гидродинамике для диагностики процессов диффузии в жидких средах, а также в других аналогичных областях.

Известен интерферометр (см. Оптический производственный контроль, под. ред. Д. Малакары, - М, Машиностр., 1985 г., с.с. 42-43), содержащий немонохроматический источник света, коллиматор, светоделитель, зеркала в прошедшем и отраженном от светоделителя световом пучке и узел регистрирующей части.

Недостаток известного интерферометра состоит в том, что использование немонохроматического источника излучения предъявляет высокие требования к элементам оптической системы, сложны юстировка и настройка системы, обусловленные ограниченной временной когерентностью источника. Прямое использование лазерного источника излучения в этом типе интерферометров ограничено тем, что за счет плоскопараллельной пластины образуются «фоновые» полосы. Последние модулируют полосы получаемой интерферограммы, что затрудняет ее количественную расшифровку. Для исключения «фоновых» полос необходимо пластину изготавливать клиновидной и наносить оптическое просветление на обе поверхности, что на практике приводит к созданию нового типа интерферометра.

Известен также голографический интерферометр, содержащий лазерный источник излучения, коллиматор, дифракционную решетку для формирования объектной ветви, рабочую зону, оптическую систему опорной ветви и узел регистрации голограммы. (В.Т. Черных, И.Н. Зелинский. Способ получения многочастотного голограммного элемента и его использование в голографической интерферометрии трехмерных фазовых объектов. - Оптика и спектроскопия, т. 46, в. 4, 1979 г., с. 795-799).

Наиболее близким техническим решением является голографический интерферометр, содержащий источник когерентного излучения, светоделительную пластину, оптическую систему для формирования опорного и объектного пучков, дифракционный элемент, установленный перед объектом, и узел регистрации голограммы, при этом в оптической системе для формирования объектного пучка, после объекта, перпендикулярно оптической оси дифракционного элемента, установлено зеркало объектного пучка, выполненное с возможностью возврата объектного пучка в обратном ходе и формирования совместно с дифракционным элементом на выходе дифрагированных пучков 0^го; ±1^ых; ±2^ых ; ±N^ых порядков дифракции, причем в пучках +1^го; +2^го; +3^го; +N^го порядков дифракции перпендикулярно оптической оси дополнительно установлены N зеркал, выполненные с возможностью одновременного возврата объектных пучков в прямом ходе в плоскость дифракционного элемента и образования объектных дифрагированных пучков, проходящих через объект в направлении установленного зеркала объектного пучка, а узел регистрации голограммы установлен в одном из N сопряженных пучках -1^го; -2^го; -3^го ; -N^го порядков дифракции обратного хода лучей (Патент RU 123933, МПК G09B 9/02, 10.01.2013).

Основным недостатком известных голографических интерферометров является то, что дифракционная решетка используется для увеличения направлений просвечивания объекта и получения интерферограмм по каждому направлению двухэкспозиционным методом, что усложняет оптический эксперимент и приводит к ошибке измерений при изучении быстропротекающих процессов.

Для практических целей представляет интерес создание интерферометра на основе использования лазерного источника излучения и элементов дифракционной оптики.

Задачей предлагаемой полезной модели является снижение ошибки измерений при изучении быстропротекающих процессов за счет обеспечения возможности получения интерферограммы в один момент измерений.

Технический результат достигается тем, что в лазерный интерферометр, содержащий оптически связанные источник когерентного излучения, коллиматор, дифракционный элемент для разделения волнового фронта по амплитуде и фазе на объектный волновой фронт нулевого порядка дифракции и опорный волновой фронт первого порядка дифракции, рабочую зону с фазовым объектом, зеркало объектного волнового фронта, установленное после рабочей зоны, зеркало опорного волнового фронта и узел наблюдения интерферограммы, при этом зеркала объектного и опорного волновых фронтов установлены перпендикулярно оптической оси, согласно настоящей полезной модели, введен проекционный объектив, установленный между дифракционным элементом и рабочей зоной с возможностью сопряжения плоскости исследуемого фазового объекта с плоскостью узла наблюдения интерферограммы при обратном ходе, сквозь дифракционный элемент, объектного волнового фронта нулевого порядка дифракции и опорного волнового фронта первого порядка дифракции.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема оптической системы предлагаемого лазерного интерферометра.

Лазерный интерферометр содержит оптически связанные источник 1 когерентного излучения (лазер), коллиматор 2, дифракционный элемент 3 для разделения волнового фронта по амплитуде и фазе на объектный волновой фронт W₀ нулевого порядка дифракции и опорный волновой фронт W₊₁ первого порядка дифракции, рабочую зону с фазовым объектом 5, зеркало 6 объектного волнового фронта, установленное после рабочей зоны, зеркало 7 опорного волнового фронта и узел 8 наблюдения интерферограммы, при этом зеркала 6 и 7, соответственно объектного и опорного волновых фронтов, установлены перпендикулярно оптической оси.

Отличием предлагаемого лазерного интерферометра является то, что в него введен проекционный объектив 4, установленный между дифракционным элементом 3 и рабочей зоной с возможностью сопряжения плоскости исследуемого фазового объекта 5 с плоскостью узла 8 наблюдения интерферограммы при обратном ходе, сквозь дифракционный элемент 3, объектного волнового фронта нулевого порядка дифракции и опорного волнового фронта первого порядка дифракции.

Лазерный интерферометр работает следующим образом.

Когерентное излучение от лазера 1, поступает в коллиматор 2, при этом на выходе коллиматора формируется пучок параллельных световых лучей.

Коллимированный пучок параллельных световых лучей падает на дифракционный элемент (решетку) 3 по нормали к его поверхности.

На выходе дифракционного элемента 3 образуются объектный волновой фронт W₀ нулевого порядка дифракции и опорный волновой фронт W₊₁ первого порядка дифракции.

Далее объектный волновой фронт W₀ нулевого порядка дифракции проходит проекционный объектив 4, фазовый объект 5 и падает на зеркало 6 по нормали к ее поверхности.

Опорный волновой фронт W ₊₁ первого порядка дифракции, распространяясь под углом дифракции, поступает на зеркало 7 также по нормали к ее поверхности.

Затем, отраженные от зеркал 6 и 7, соответственно отраженный объектный волновой фронт нулевого порядка дифракции (отраженный объектный пучок) и отраженный опорный волновой фронт первого порядка дифракции (отраженный опорный пучок) возвращают в обратном ходе в плоскость дифракционного элемента 3.

После дифракционного элемента 3 возвращенный объектный волновой фронт нулевого порядка дифракции в обратном ходе (отраженный объектный пучок в обратном ходе) в результате дифракции на дифракционном элементе 3 распространяется в направлении опорного волнового фронта первого порядка дифракции в обратном ходе , а возвращенный опорный волновой фронт первого порядка дифракции в обратном ходе (отраженный опорный пучок в обратном ходе), дифрагируя на дифракционном элементе 3 в обратном ходе, распространяется в направлении объектного волнового фронта нулевого порядка дифракции в обратном ходе .

При наложении пучков и в плоскости узла 8 наблюдается интерферограмма исследуемого фазового объекта.

Таким образом, предлагаемый лазерный интерферометр, по сравнению с прототипом, позволяет получить интерферограмму в один момент измерений при использовании лазерного источника света и элемента дифракционной оптики, что весьма важно при изучении быстропротекающих процессов.

Лазерный интерферометр, содержащий оптически связанные источник когерентного излучения, коллиматор, дифракционный элемент для разделения волнового фронта по амплитуде и фазе на объектный волновой фронт нулевого порядка дифракции и опорный волновой фронт первого порядка дифракции, рабочую зону с фазовым объектом, зеркало объектного волнового фронта, установленное после рабочей зоны, зеркало опорного волнового фронта и узел наблюдения интерферограммы, при этом зеркала объектного и опорного волновых фронтов установлены перпендикулярно оптической оси, отличающийся тем, что в него введен проекционный объектив, установленный между дифракционным элементом и рабочей зоной с возможностью сопряжения плоскости исследуемого фазового объекта с плоскостью узла наблюдения интерферограммы при обратном ходе сквозь дифракционный элемент объектного волнового фронта нулевого порядка дифракции и опорного волнового фронта первого порядка дифракции.