Способ измерения показателя преломления газовых сред



Способ измерения показателя преломления газовых сред

 


Владельцы патента RU 2471174:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет" (RU)

Изобретение относится к области оптических измерений и предназначено для измерения показателя преломления газовых сред. Способ измерения показателя преломления газовых сред основан на измерении частоты одночастотного перестраиваемого лазера, настроенного на максимум выбранной моды высокостабильного многолучевого интерферометра Фабри-Перо, когда межзеркальное пространство заполнено газовой средой и когда оно вакуумировано. Значение показателя преломления газовой среды определяют отношением измеренных частот в вакууме и в присутствии газовой среды. Частотный метод регистрации максимума полосы пропускания выбранной моды многолучевого интерферометра Фабри-Перо позволяет повысить точность измерения показателя преломления газовых сред. 1 ил.

 

Одним из важнейших оптических свойств любого вещества является показатель преломления. Предлагаемое изобретение направлено на разработку способа измерения показателя преломления газовых сред с целью повышения точности измерения и относится к разделу «Оптика».

Известно множество способов измерения показателя преломления газовых сред. В зависимости от точности измерения выбирают тот или иной способ. Широкий класс задач в термодинамике и теплофизике, связанных с необходимостью экспериментального определения температурных полей вокруг нагретых тел, успешно решаются интерферометрическими методами, не внося при этом возмущений в исследуемый объект [Скоков И.В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике. М.: Машиностроение, 1989, с.181]. Измерение показателя преломления, например, оптических элементов, призм и т.д. осуществляется с непосредственным использованием закона преломления, т.е. реализуется метод измерения угла отклонения световых лучей [Иоффе Б.В. Рефрактометрические методы химии. Л.: Химия, 1974, 400 с.]. Для определения неоднородностей в прозрачных объектах и измерения градиента показателя преломления используется теневой метод.

Применяемые способы измерения показателя преломления газовой среды в вышеперечисленных работах не дают необходимой точности, которая составляет 10-7÷10-8. Такие точности недостаточны для проведения ряда прецизионных научных исследований. Это в первую очередь касается физической оптики, спектроскопии и аналитической химии (получение новых веществ с заданными параметрами), термодинамики и теплофизики (исследование температурных полей) и т.д.

Известен способ определения абсолютного значения показателя преломления газовых сред, являющийся прототипом предлагаемого изобретения. [Скоков И.В. «Многолучевые интерферометры», М., Машиностроение, 1969, 248 с.]. Определение абсолютного значения показателя преломления газовых сред осуществляется по изменению длины волны излучения в максимуме полосы пропускания многолучевого интерферометра Фабри-Перо в условиях, когда давление газовой среды, находящееся между зеркалами многолучевого интерферометра Фабри-Перо, меняется от атмосферного значения до вакуумного. Количественное значение изменения длины волны Δλ в этих условиях определяется по величине изменения диаметра i-го интерференционного кольца многолучевого интерферометра Фабри-Перо, который также зависит от давления газовой среды, т.е.

где λ - длина волны излучения; dil, di2 - начальное и конечное значения диаметра i-го интерференционного кольца многолучевого интерферометра Фабри-Перо, f - фокусное расстояние регистрирующего объектива.

Таким образом показатель преломления газовых сред будет определятся выражением

где m - число интерференционных колец, прошедших, например, через неподвижную диафрагму, за которой установлен фотоэлектрический приемник, при изменении давления газовой среды в многолучевом интерферометре Фабри-Перо.

Из (2) видно, что при известном значении длины волны излучения λ принцип измерения показателя преломления газовых сред сводится к отсчету числа m и определению изменения длины волны Δλ при изменении давления газовой среды в межзеркальном пространстве многолучевого интерферометра Фабри-Перо. Точность вычисления Δλ определяется точностью измерения диаметров i-го интерференционного кольца многолучевого интерферометра Фабри-Перо, которая по субъективным причинам сравнительно низкая.

Таким образом, указанный способ из-за низкой точности не позволяет проводить прецизионные измерения показателя преломления, например, в разреженных газовых средах.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения показателя преломления газовых сред.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в создаваемом способе значение максимума выбранной полосы пропускания многолучевого интерферометра Фабри-Перо определяют частотным методом путем измерения частоты одночастотного перестраиваемого лазера, настроенного на максимум этой полосы пропускания, когда межзеркальное пространство многолучевого интерферометра Фабри-Перо заполнено газовой средой и когда оно вакуумировано. Значение показателя преломления газовой среды определяют отношением измеренных частот в вакууме и в присутствии газовой среды.

На чертеже приведена структурная схема измерителя показателя преломления газовых сред, реализующая заявленный способ.

Устройство содержит: автоподстройку частоты 1; одночастотный перестраиваемый лазер 2; многолучевой интерферометр Фабри-Перо 3 со специальными зеркалами и вакуумной системой; фотоприемники 4 и 5; стабилизированный по частоте фемтосекундный лазер с известными генерируемыми частотами 6; частотомер 7; поворотные зеркала 8 и 9.

Многолучевой интерферометр Фабри-Перо 3 по оптическому каналу связан с одночастотным перестраиваемым лазером 2 и фотоприемником 4, автоподстройка частоты 1 обладает кабельной связью с фотоприемником 4 и одночастотным перестраиваемым лазером 2, одночастотный перестраиваемый лазер 2 и фемтосекундный лазер 6 по оптическому излучению при помощи поворотных зеркал 8 и 9 связаны с фотоприемником 5, который имеет кабельное соединение с частотомером 7.

Предложенный способ осуществляется следующим образом.

Для измерения показателя преломления газовой среды пространство между зеркалами многолучевого интерферометра Фабри-Перо 3 заполняется газовой средой. Излучение одночастотного перестраиваемого лазера 2 пропускается через многолучевой интерферометр Фабри-Перо 3 и настраивается на максимум полосы пропускания произвольно выбранной моды k и при помощи автоподстройки частоты 1 стабилизируется частота одночастотного перестраиваемого лазера 2. При пространственном совмещении излучений одночастотного перестраиваемого лазера 2 и стабилизированного по частоте фемтосекундного лазера 6, осуществляемые поворотными зеркалами 8 и 9, с помощью фотоприемника 5 и частотомера 7 определяется частота νc одночастотного перестраиваемого лазера 2, частота которого настроена на максимум полосы пропускания моды k многолучевого интерферометра Фабри-Перо 3. Таким образом определяется частота νc максимума полосы пропускания моды k многолучевого интерферометра Фабри-Перо 3 при наличии газовой среды в межзеркальном пространстве. Для определения показателя преломления газовой среды необходимо знать значение частоты этой моды k многолучевого интерферометра Фабри-Перо 3, когда пространство между зеркалами вакуумировано. Для этих целей при помощи вакуумных насосов производится постепенная откачка газовой среды из межзеркального пространства многолучевого интерферометра Фабри-Перо 3, не нарушая процесса стабилизации частоты одночастотного перестраиваемого лазера 2 (необходимо соблюдать «слежение» автоподстройкой частоты 1 за максимумом полосы пропускания для моды k многолучевого интерферометра Фабри-Перо 3). При вакуумировании межзеркального пространства многолучевого интерферометра Фабри-Перо 3 значение частоты νв одночастотного перестраиваемого лазера 2, настроенного на максимум полосы пропускания моды k определяется, как и в случае, когда многолучевой интерферометр Фабри-Перо 3 заполнен газовой средой по излучению стабилизированного по частоте фемтосекундного лазера 6 при помощи фотоприемника 5 и частотомера 7.

Таким образом, при известных значениях частот νc и νв определяется показатель преломления газовой среды по формуле:

В заключение отметим, что регистрация частотным методом максимума полосы пропускания выбранной моды многолучевого интерферометра Фабри-Перо позволяет получать точность измерения показателя преломления газовых сред ~(10-11÷10-12), что на (3-4) порядка выше, предложенного в прототипе.

Способ измерения показателя преломления газовых сред, основанный на измерении значения максимума выбранной полосы пропускания многолучевого интерферометра Фабри-Перо, отличающийся тем, что значение этого максимума полосы пропускания определяют частотным методом путем измерения частоты одночастотного перестраиваемого лазера, настроенного на максимум этой полосы, когда межзеркальное пространство многолучевого интерферометра Фабри-Перо заполнено газовой средой и когда оно вакуумировано, а значение показателя преломления газовой среды определяют отношением этих измеренных частот.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области сельского хозяйства. .

Изобретение относится к волоконно-оптическим устройствам (сенсорам), предназначенным для анализа состава и концентрации газообразных и жидких веществ, а также тонких слоев молекул, на основе планарных и цилиндрических полых световодов, включая полые микроструктурированные волноводы.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к фотометрии для контроля агрегационной способности частиц коллоидных систем в широких областях техники. .

Изобретение относится к оптическому приборостроению и предназначено для исследования оптических неоднородностей в прозрачных средах и получения изображения градиентных объектов.

Изобретение относится к методам исследования свойств материалов, предназначенных преимущественно для объемной голографической записи информации. .

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к оптико-электронным приборам, основанным на методе Фуко-Теплера и используемым для исследования градиента показателя преломления оптически прозрачных сред (жидкостей, газов).

Изобретение относится к бесконтактным оптическим методам измерения физических параметров прозрачных объектов. .

Изобретение относится к оптическим теневым приборам, осуществляющим анализ теневой картины. .

Изобретение относится к измерительной технике в оптике, основанной на интерференции света, преимущественно к устройствам для измерения радиационно- и фотоиндуцированных изменений показателя преломления прозрачных сред, возникающих в результате внешнего воздействия, и может быть использовано при исследовании воздействия на оптические материалы высокоскоростных потоков частиц различного происхождения, а также потоков мощного электромагнитного излучения от мягкого рентгена до дальнего ИК.

Изобретение относится к области исследования оптическими методами прозрачных неоднородностей и может быть использовано при анализе гидродинамических явлений, изучении конвективных потоков при теплообмене, контроле качества оптического стекла и т.д.

Изобретение относится к контролю качества бетонов, растворов и цементного камня

Изобретение относится к оптике для визуализации фазовых (прозрачных) объектов и может быть использовано при исследовании газовых потоков, контроля качества оптических элементов. Устройство содержит одномодовый лазер, объектив, самонаводящийся фильтр Цернике, установленный в задней фокальной плоскости объектива, систему регистрации изображений. Самонаводящийся фильтр Цернике выполнен в виде слоя поглощающего вещества толщиной, не превышающей длины перетяжки сфокусированного пучка зондирующего излучения, обладающего свойством уменьшения коэффициента поглощения под действием излучения в результате эффекта просветления. В качестве источника излучения используют лазер непрерывного действия или импульсный лазер с возможностью включения излучения на заданный промежуток времени, при этом импульс излучения включают с опережением начала времени экспозиции на время, необходимое для наведения фильтра, и выключают после окончания времени экспозиции регистрирующего устройства. Изобретение обеспечивает возможность использования фазоконтрастного метода на установках, характеризующихся наличием вибраций. 3 ил.

Изобретение относится к области бесконтактного измерения плотности пористого материала с использованием измерения коэффициента преломления материала посредством оптической когерентной томографии. При помощи метода оптической когерентной томографии определяют оптический путь, соответствующий прохождению через объект, выполненный из пористого материала и который является сферическим и полым, светового луча, используемого для осуществления указанного метода, определяют толщину объекта, определяют коэффициент преломления пористого материала на основании оптического пути и толщины и определяют плотность пористого материала на основании определенного коэффициента преломления. Изобретение обеспечивает повышение точности вычисления плотности. 2 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области оптических измерений и предназначено для измерения изменений показателя преломления и двойного лучепреломления, вызванных нелинейными эффектами. Система состоит из фемтосекундного лазера (FS), фотонного оптического волокна (SF), двух оптических каналов (KO1, KO2) и интерферометрической системы, в частности, в виде интерферометра VAWI. Первый оптический канал (KO1) включает в себя монохроматор (MCR) с конденсатором (K), образующим луч измерения. Монохроматор (MCR) на входе соединяется с фотонным оптическим волокном (SF). Система зеркал второго оптического канала (KO2) включает в себя подвижное зеркало (ZP), которое изменяет длину оптического пути второго луча во втором оптическом канале (KO2). Испытуемый материал (M) помещается в область измерения, расположенную на пересечении луча измерения и второго луча, передаваемого через оптический канал (KO2). Изобретение обеспечивает повышение точности измерений параметров оптических материалов в областях, меньших нескольких микрометров. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области медицины, а именно к клинической лабораторной диагностике, и описывает способ оценки функционального состояния лимфоцита человека. Способ включает в себя исследование in vitro методом интерференционной микроскопии отдельных лимфоцитов периферической крови, при этом из суспензии клеток крови донора выделяют первую пробу, микроскопируют в интерференционном микроскопе для получения изображения мононуклеара в виде зон оптической плотности в проекциях отдельных органелл и измеряют последовательно следующие параметры: цитоплазматический индекс, значения фазовой толщины, площади, эквивалентных диаметров, фазового объема, рефрактерности у следующих органелл лимфоцита: внешняя граница периферийной части цитоплазмы, плотная часть цитоплазмы, хондриом, ядро и ядрышко, затем у этого же донора из суспензии лимфоцитов выделяют вторую пробу и после действия на суспензию лимфоцитов внешнего фактора их повторно микроскопируют в интерференционном микроскопе, измеряют вышеуказанные параметры указанных органелл лимфоцита, после чего образуют второй набор значений фазовой толщины, сравнивают параметры первого и второго наборов значений фазовой толщины, оценку функционального состояния лимфоцита человека производят по коэффициентам корреляции с указанием процентов вероятности. Способ обеспечивает повышение точности прогнозирования иммунного отклика пациента на действие фармакологического препарата, снижение вероятности нежелательных побочных эффектов и сокращение времени исследования и стоимости диагноза. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 12 ил.

Устройство может быть использовано для исследования быстропротекающих процессов в газах и других прозрачных средах, например в ударных волнах. Устройство содержит источник монохроматического излучения, два прозрачных плоскопараллельных окна, между которыми находится исследуемая среда, нож Фуко, регулируемую по ширине щель, перпендикулярную кромке ножа Фуко, фотоприемник, запоминающее устройство. Угол падения луча света на входное окно больше нуля. Кромка ножа Фуко расположена параллельно направлению движения неоднородности или градиенту изменения показателя преломления. По изменению сигнала фотоприемника судят об изменении оптических свойств исследуемой среды. Регистрируется смещение луча в направлении, перпендикулярном градиенту изменения показателя преломления, в зависимости от показателя преломления среды в сечении. Технический результат - возможность определения показателя преломления исследуемой среды в известном сечении устройства. 3 ил.

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано для систем автоматического измерения концентрации газов. Способ измерения концентрации газов основан на измерении смещения интерференционной картины, которая находится на пути одного из лучей, способных интерферировать. Величина смещения пропорциональна разности между показателями преломления света исследуемой газовой смеси и атмосферного воздуха, включает регистрацию цифровых изображений интерференционных картин с газом и без газа. Из них выделяют сигналы одной и той же строки и формируют по две триады матриц, а затем сравнивают их по каждому пикселю трех RGB цветовых составляющих путем сдвига матрицы, характеризующей интерференционную картину газа на один пиксель влево до совпадения всех триад по цветовым составляющим, при этом фиксируется момент совпадения интенсивности по всем пикселям для всех цветовых составляющих и полученное среднее значение разности (смещения) характеризует концентрацию измеряемого газа. Техническим результатом изобретения является повышение безопасности измерений, возможность осуществления непрерывного автоматизированного контроля и дистанционного снятия результатов измерения, повышение точности, оперативности и достоверности измерений. 3 ил.

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано для систем автоматического измерения концентрации газов. Устройство для измерения концентрации газов содержит химический поглотительный патрон, оптическую систему, состоящую из конденсорной линзы, плоскопараллельной пластины (зеркала), подвижной газовоздушной камеры, имеющей три сквозные полости, ограниченные плоскопараллельными стеклянными пластинками, двух призм полного внутреннего отражения, зеркала, зрительной трубы с объективом, окуляра и щелевой диафрагмы с подвижной отчетной шкалой. Также устройство включает электрический насос засасывания измеряемого газа, блок управления насосом, соленоид перемещения газовоздушной камеры в положение контроля, блок управления соленоидом, светоизлучающий диод и блок управления диодом, два электромеханических клапана каналов измерения метана и углекислого газа и два блока управления электроклапанами, ПЗС-матрицу, АЦП, DSP-процессор, микроконтроллер, жидкокристаллический индикатор и интерфейс связи с внешними устройствами. Техническим результатом является повышение безопасности измерений, возможность осуществления непрерывного автоматизированного контроля и дистанционного снятия результатов измерения, повышение точности, оперативности и достоверности измерений. 3 ил.
Наверх