Способ измерения толщины тонкого слоя прозрачной жидкости

В способе используется явление термокапиллярного течения, которое возбуждают в слое жидкости пучком лазера. Это течение приводит к динамической деформации свободной поверхности жидкости в виде углубления. Толщину слоя определяют по интервалу времени между моментом включение пучка лазера и моментом начала изменения диаметра или распределения интенсивности пятна света, наблюдаемого на экране, помещенном в поперечном сечении отраженного от углубления пучка лазера. Для конкретной жидкости получают экспериментальную зависимость указанного интервала времени от толщины слоя, которую используют как калибровочную при измерении толщины слоя. Технический результат - уменьшение времени измерений и упрощение процедуры измерений. 3 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к оптическим способам измерения толщины слоя прозрачной жидкости.

Известен способ [1], в котором тонкий слой прозрачной жидкости, лежащий на поглощающей излучение подложке, нагревают пучком лазера. В результате в слое формируется термокапиллярный конвективный вихрь, который деформирует свободную поверхность жидкости в виде углубления. Отраженный от стационарного углубления пучок лазера образует на экране, помещенном в его поперечном сечении, интерференционную картину в виде концентрических колец. Толщину слоя определяют, измеряя стационарный диаметр внешнего кольца этой картины.

Недостатком способа [1] является то, что для установления стационарного диаметра интерференционной картины требуется время порядка нескольких минут [2], поэтому способ [1] нельзя использовать для измерений в реальном времени. Кроме того, для измерения диаметра интерференционной картины требуется специальное оптоэлектронное устройство, например линейка фотодиодов или видеокамера, сигнал которого нужно дополнительно обрабатывать.

Целью изобретения является уменьшение времени измерений и упрощение процедуры измерений.

Поставленная цель достигается путем измерения интервала времени, за который тепловой фронт распространяется от подложки через слой жидкости до ее свободной поверхности.

Схема предлагаемого способа показана на Фиг.1, где 1 - лазер, 2 - слой прозрачной жидкости, 3 - поглощающая излучение лазера подложка, 4 - экран.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем. Поглощающую излучение подложку, на которой находиться измеряемый слой прозрачной жидкости, нагревают пучком лазера. С момента включения пучка лазера до того момента, когда тепловой фронт дойдет от поверхности подложки к свободной поверхности жидкости, проходит интервал времени τ, примерно равный h²/4κ [3, 4], где h - толщина слоя жидкости, κ - температуропроводность жидкости.

Поскольку для большинства органических жидкостей и воды κ близок к 10^-7 м²/с [5-7], то интервал времени τ для их слоя толщиной 1 мм примерно равен 2 с. Это время в 50-100 раз меньше, чем время измерений способа [1].

После того как тепловой фронт достиг свободной поверхности жидкости, на ней возникает температурный градиент поверхностного натяжения, направленный радиально из области нагрева к периферии слоя. Под действием этого градиента жидкость немедленно начинает растекаться из области нагрева (так называемое термокапиллярное течение) и в ее слое возникает углубление. Момент возникновения углубления определяют, наблюдая пятно отраженного от его поверхности лазерного пучка на экране, помещенном в поперечном сечении этого пучка.

Если диаметр пучка равен или меньше диаметра углубления, то углубление фокусирует весь пучок и диаметр пятна лазерного пучка на экране уменьшается от его значения, соответствующего отражению от плоского зеркала жидкости.

Если диаметр пучка больше диаметра углубления, то фокусируется лишь центральная часть пучка. При этом, на экране в центре пятна, образованного периферийными лучами, появляется яркое центральное пятнышко, образованное сфокусированными лучами центральной части пучка.

Таким образом, момент возникновения углубления в слое легко определить как момент, когда пятно пучка лазера (его диаметр либо распределение интенсивности) на экране начинает изменяться.

Для конкретной жидкости получают зависимость времени τ от толщины ее слоя h, которую затем используют как калибровочную при измерениях h.

На Фиг.2 даны видеокадры пятна лазерного пучка на экране до момента деформации свободной поверхности слоя, кадры (а) и (в), и сразу после него, кадры (б) и (г). Кадры (а) и (б) соответствуют случаю, когда диаметр пучка меньше горизонтального диаметра углубления, а кадры (в) и (г) - противоположному случаю. Слой н-бутанола толщиной 810 мкм на эбонитовой подложке облучали пучком He-Ne лазера мощностью 20.9 мВт. Оптический путь отраженного от поверхности жидкости пучка до экрана был равен 2 м. Начало деформации обнаруживается по уменьшению диаметра пятна D от его начального значения D₀, кадры (а) и (б), либо по появлению в центре пятна яркого пятнышка (пятнышко оконтурено черным пунктиром), кадры (в) и (г).

На Фиг.3 показана экспериментальная зависимость интервала времени между моментом открытия пучка лазера и моментом начала изменения диаметра его пятна на экране от толщины слоя н-бутанола на эбонитовой подложке. Сплошная линия является квадратичной аппроксимацией экспериментальной зависимости. Лазер и оптический путь луча были теми же. Как видно из Фиг.3, для измерения толщины слоя в интервале 0.3-2.0 мм требуется время от 0.1 до 3.5 с.

Поскольку мощность падающего на слой пучка неизменна, то при изменении диаметра светового пятна или при изменении его распределения интенсивности в любой области пятна меняется интенсивность падающего света. Поэтому для измерений предложенным способом не требуется измерять диаметр световой картины, как в способе [1], а нужно лишь зафиксировать изменение интенсивности в любой части пятна. Для этого достаточно иметь схему регистрации на основе одного фотоэлемента (фотодиода, фототранзистора и т.д.), т.е. обойтись без дорогостоящего оптоэлектронного устройства типа видеокамеры и сложной последующей обработки его данных, необходимых при осуществлении способа [1].

Таким образом, предлагаемый способ обладает следующими преимуществами. Время измерений на два-три порядка меньше времени измерений способа [1] и для слоев тоньше 1 мм составляет не более 1 с, что позволяет использовать предлагаемый способ для измерений в режиме реального времени. Для осуществления предложенного способа не требуется сложное оптоэлектронное оборудование и программное обеспечение для обработки его данных.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент РФ №2149353. Способ измерения толщины тонкого слоя прозрачной жидкости. Безуглый Б.А., Тарасов О.А., Федорец А.А., Шепеленок С.В. - Бюл. №14// Изобретения. - 2000.

2. Безуглый Б.А., Федорец А.А. Применение фотоиндуцированного термокапиллярного эффекта для измерения энергетических параметров лазерного пучка// Вестник Тюменского госуниверситета. - 2002. - №3. - С.118-124.

3. M.I.Cohen. Material Processing, in Laser Handbook, F.T.Arecchi and E.O.Dubios (Eds.), North Holland, Amsterdam, 1972, Chapter 4.

4. B.A.Bezuglyi., S.I.Chemodanov, O.A.Tarasov. New approach to diagnostics of organic impurities in water// Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects. - 2004. - Vol.239. - PP.11-17.

5. Физические величины: Справочник. Под ред. акад. Григорьева И.С., Михайлова Е.З. - М.: Энергоатомиздат, 1991.

6. Справочник химика. T.1. Второе изд. переработанное и дополненное. Государственное научно-техническое издательство химической литературы. - Москва, Ленинград, 1962.

7. Н.Б.Варгафтик. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. - Москва, 1963.

Способ измерения толщины тонкого слоя прозрачной жидкости, включающий ее облучение пучком лазера, создание области возбуждения в виде фотоиндуцированного термокапиллярного течения, приводящего к динамической деформации свободной поверхности жидкости в виде углубления, отличающийся тем, что о толщине слоя судят по интервалу времени между моментом включения пучка лазера и моментом начала изменения диаметра или распределения интенсивности пятна света, наблюдаемого на экране, помещенном в поперечном сечении отраженного от углубления пучка лазера, при этом используют калибровочную зависимость интервала времени от толщины слоя, полученную экспериментально.