Голографический способ изучения нестационарных процессов

Голографический способ изучения нестационарных процессов, в котором используют когерентный источник излучения, коллиматор и первый, второй и третий светоделители, а также зеркала, при помощи которых формируют три опорных и один объектный пучки. В процессе реализации способа указанные три опорных пучка могут быть перекрыты экранами, что обеспечивает возможность последовательного во времени формирования голограмм. Технический результат заключается в обеспечении возможности изучения нестационарных процессов на разных стадиях их развития, не вмешиваясь в их физико-химические явления, что повышает точность измерений параметров исследуемого процесса. 2 ил.

 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в энергетических установках для изучения нестационарных процессов распыливания топлива и количественного изучения структуры и дисперсности топливного факела, в гидродинамике для изучения массообмена между твердой фазой и жидкой средой при создании новых химических технологий, в механике высокоскоростного разрушения твердых материалов при их сквозном разрушении и определении при этом пространственного распределения частиц в образующемся двухфазном потоке «твердые частицы - газ» и в других аналогичных областях.

Известен голографический способ (см. Черных В.Т., Черных Г.С., Борисов А. Н., Тукшаитов Р.Х. Патент полезной модели №123136 от 20.12.2012 г. Бюл. №35, 2012 г.), реализованный устройством, в котором первый объектный пучок W_об1 и первый опорный пучок W_оп1 формируют с помощью первого светоделителя и коллиматоров, установленных в этих пучках.

Известен также голографический способ (см. Черных В.Т., Черных Г.С. Патент полезной модели №140575 от 09.04.2014 г. Бюл. №13, 2014 г.), реализованный устройством, в котором первый объектный и первый опорный пучки формируют посредством коллиматора и светоделительного элемента, установленного после коллиматора под углом к оптической оси.

Наиболее близким решением является голографический способ (см. Черных В.Т., Белозеров А.Ф. Авторское свидетельство №469882 от 14.01.1975 г. Бюл. №17 1975 г. - прототип), реализованный устройством, в котором посредством источника когерентного излучения, светоделительной пластины и оптической системы формируют первый объектный W_об1 и первый опорный W_оп1 пучки.

Недостатком известных голографических способов является ограниченные технологические возможности при количественном измерении тонкой пространственной структуры нестационарного процесса, поскольку за время одного эксперимента не представляется возможным фиксировать изменения процесса в разные моменты времени. За счет этого вносится существенная погрешность в голографические измерения параметров нестационарного процесса.

Однако на практике существует целый ряд задач, предусматривающих изучение нестационарных объектов, слабо изменяющихся во времени, и реальное решение их требует создания голографических способов, позволяющих за время одного эксперимента получать серию голографических интерферограмм, соответствующих разным моментам времени развития нестационарного процесса.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка голографического способа изучения нестационарных процессов, в котором устранен основной недостаток аналогов и прототипа.

Техническим результатом является расширение технологической возможности голографического способа при изучении нестационарных процессов за счет обеспечения возможности получения голографических интерферограмм, соответствующих разным временным стадиям развития единого процесса и повышения за счет этого точности измерения параметров объекта.

Технический результат достигается тем, что в голографическом способе изучения нестационарных процессов, согласно которому при использовании когерентного источника излучения, коллиматора и первого светоделителя формируют первый объектный пучок W_об1 и первый опорный пучок W_оп1, в котором устанавливают первое отражательное зеркало, отличающийся тем, что в первый опорный пучок W_оп1 дополнительно устанавливают второй и третий светоделители, второе и третье отражательные зеркала, первый, второй и третий непрозрачные экраны, при этом второй и третий светоделители, формирующие второй W_оп2, третий W_оп3 и четвертый W_оп4 опорные пучки, устанавливают в первом опорном пучке W_оп1, между первым светоделителем и первым отражательным зеркалом, под углом к оптической оси первого опорного пучка W_оп1, а второе и третье отражательные зеркала устанавливают между вторым и третьим светоделителями и узлом регистрации голограммы, с возможностью последовательного наложения опорных пучков W_оп2, W_оп3 и W_оп4 на объектный пучок W_об1 в плоскости узла регистрации голограммы, при этом первый, второй и третий непрозрачные экраны устанавливают соответственно, во втором W_оп2, третьем W_оп3 и четвертом W_оп4 опорных пучках с возможностью их ввода-вывода из рабочего положения.

В голографическом способе вдоль оптической оси первого опорного пучка W_оп1 устанавливают более двух светоделительных элементов.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, на которых представлена принципиальная схема оптической системы для реализации голографического способа (фиг. 1) и схема восстановления волновых фронтов с голограммы (фиг. 2).

Цифрами на чертеже (фиг. 1) обозначены:

1 - лазер (когерентный источник излучения),

2 - отрицательная линза коллиматора;

3 - объектив коллиматора;

4 - первый светоделительный элемент;

5 - рабочая зона;

6 - проекционный объектив;

7 - узел регистрации голограммы;

8 - второй светоделительный элемент;

9 - второе отражательное зеркало;

10 - третий светоделительный элемент;

11 - третье отражательное зеркало;

12 - первое отражательное зеркало;

13, 14, 15 - первый второй, и третий непрозрачные экраны, соответственно.

Цифрами на чертеже (фиг. 2)обозначены:

16 - восстанавливающий пучок W_в;

17 - голограмма;

18 - голографическая интерферограмма, соответствующая моменту времени t₁;

19 - голографическая интерферограмма, соответствующая моменту времени t₂;

20 - голографическая интерферограмма, соответствующая моменту времени t₃.

Оптическая система содержит оптически связанные лазер 1, коллиматор, состоящий из отрицательной линзы 2 и объектива 3, первый светоделительный элемент 4 для образования первого опорного пучка и первого объектного пучка, рабочую зону 5, проекционный объектив 6, узел 7 регистрации голограммы, второй светоделительный элемент 8 и второе отражательное зеркало 9 для формирования второго опорного пучка, третий светоделительный элемент 10 и третье отражательное зеркало 11 для формирования третьего опорного пучка, первое отражательное зеркало 12 для формирования четвертого опорного пучка, непрозрачные экраны 13, 14, 15, установленные во втором, третьем и четвертом опорных пучках, соответственно.

Отличием предлагаемого голографического способа является то, что систему светоделительных элементов в виде второго 8 и третьего 10 устанавливают в первой опорной ветви W_оп1.

Систему светоделительных элементов в виде второго 8 и третьего 10 устанавливают под углом к оптической оси первой опорной ветви W_оп1.

Между вторым 8 и третьим 10 светоделительными элементами и узлом 7 регистрации голограммы устанавливают отражательные зеркала 9 и 11.

Во второй, третьей и четвертой опорных ветвях устанавливают непрозрачные экраны 13, 14, 15 с возможностью их ввода - вывода из рабочего положения.

Суть голографического способа изучения нестационарных процессов заключается в следующем.

Когерентное излучение от лазера 1 поступает в коллиматор, состоящий из отрицательной линзы 2 и объектива 3, на выходе которого формируют пучок параллельных световых лучей. Далее этот пучок падает на первый светоделитель 4, посредством которого делится на первый опорный пучок W_оп1 и первый объектный пучок W_об1. Первый объектный пучок W_об1 далее проходит сквозь рабочую зону 5, проекционный объектив 6 и достигает узла 7 регистрации голограммы. Проекционный объектив 6 сопрягает плоскость рабочей зоны 5 с плоскостью узла 7 регистрации голограммы.

За счет этого достигают четких границ изображения исследуемого объекта, что весьма важно при анализе микроструктуры объекта, каким, например, является диффузионный пограничный слой.

Отраженный от первого светоделителя 4 световой пучок W_оп1 падает на второй светоделитель 8 и, отразившись от него, служит вторым опорным пучком W_оп2. С помощью второго отражательного зеркала 9 пучок W_оп2 направляют под углом θ₁ на узел 7 регистрации голограммы, где он налагается на первый объектный пучок W_об1.

Пучок, прошедший сквозь второй светоделительный элемент 8, достигает третьего светоделителя 10 и, отразившись от него, выполняет роль третьего опорного пучка W_оп3, который направляют под углом θ₂ в плоскость узла 7 регистрации голограммы, где он налагается на первый объектный пучок W_об1.

Световой пучок, прошедший сквозь светоделительный элемент 10, служит четвертым опорным пучком W_оп4. С помощью первого отражательного зеркала 12 пучок W_оп4 направляют под углом θ₃ в плоскость узла 7 регистрации голограммы, где он налагается на первый объектный пучок W_об1.

В каждом опорном пучке W_оп2, W_оп3, и W_оп4 устанавливают перпендикулярно к оптическим осям непрозрачные экраны 13, 14 и 15 соответственно. В рабочем положении экраны 13, 14 и 15 выводятся из опорных пучков W_оп2, W_оп3, и W_оп4.

Голограмму нестационарного процесса регистрируют двухэкспозиционным методом.

Во время первых трех экспозиций, разделенных во времени, исследуемый объект в рабочей зоне 5 отсутствует.

При первой экспозиции в плоскости узла 7 регистрации голограммы интерферируют только первый объектный пучок W_об1 и второй опорный пучок W_оп2. При этом непрозрачный экран 13 выведен из второго опорного пучка W_оп2, а в опорных пучках W_оп3, и W_оп4 введены непрозрачные экраны 14 и 15. После записи первой голограммы в опорный пучок W_оп2 вводят непрозрачный экран 13.

Далее из третьего опорного пучка W_оп3 выводят экран 14. При этом в опорные пучки W_оп2 и W_оп4 введены экраны 13 и 15. В плоскости регистрации 7 записывают голограмму при суперпозиции пучков W_об1 и W_оп3. После экспозиции в опорный пучок W_оп3 вводят экран 14.

Для записи третьей голограммы из четвертого опорного пучка W_оп4 выводят непрозрачный экран 15. При этом в опорные пучки W_оп2 и W_оп3 введены непрозрачные экраны 13 и 14. В плоскости узла 7 регистрируют голограмму при интерференции первого объектного пучка W_об1 и четвертого опорного пучка W_оп4. После экспозиции в четвертый опорный пучок W_оп4 вводят непрозрачный экран 15.

Далее в рабочую зону 5 устанавливают объект исследования, являющийся нестационарным процессом, например, изучают набухание гранул каучука, активированных каким-либо металлом, в толуоле.

Вторую экспозицию выполняют также в три этапа, с теми же опорными пучками W_оп2, W_оп3 и W_оп4, но при этом первый объектный пучок W_об1 будет уже соответствовать трем стадиям развития нестационарного процесса и объектные пучки, прошедшие сквозь него, можно представить в виде трех объектных пучков: W'_об2, W''_об3 и W'''_об4. Каждый из этих пучков будет характеризоваться своими фазовыми изменениями, вносимыми исследуемым процессом в моменты времени t₂ и t₃.

При записи первой объектной голограммы в плоскости узла 7 регистрации будут интерферировать второй опорный пучок W_оп2 и объектный пучок W'_об2. Причем пучок W'_об2 характеризует состояние процесса на стадии его развития в момент времени t₁.

При записи второй объектной голограммы будут интерферировать третий опорный пучок W_оп3 и объектный пучок W''_об3. Деформация волнового фронта W''_об3 будет соответствовать состоянию процесса в момент времени t₂.

При регистрации третьей объектной голограммы будут интерферировать четвертый опорный пучок W_оп4 и объектный пучок W'''_об4. Деформация волнового фронта объектного пучка W'''_об4 будет определяться состоянием нестационарного процесса в момент времени t₃ от его начала.

После выполнения двух этапов, на каждом из которых выполняют запись трех голограмм без объекта исследования и с объектом в рабочей зоне 5, регистрирующая среда узла 7 подвергается фотохимической обработке. Полученная голограмма используется для восстановления волновых фронтов - получения голографических интерферограмм нестационарного процесса.

Восстановление волновых фронтов с голограммы изображено на фиг. 2. Голограмму 17 просвечивают коллимированным световым пучком W_в 16, падающим по нормали к ее поверхности. В направлениях дифрагированных углов θ_1д, θ_2д, и θ_3д восстанавливаются эталонные пучки W_оп2, W_оп3 и W_оп4 и объектные пучки W'_об2, W''_об3, W'''_об4. При суперпозиции этих волновых фронтов образуются голографические интерферограммы 18, 19 и 20. Каждая из интерференционных картин характеризует развитие нестационарного процесса в разные моменты времени t₁, t₂ и t₃ от начала его возникновения. В случае, если требуется регистрация голограмм развивающегося процесса и в последующие моменты времени, то вдоль оптической оси первого опорного пучка W_оп1 устанавливают более двух светоделительных элементов.

Таким образом, предлагаемый голографический способ позволяет изучать нестационарные процессы, не вмешиваясь в их физико-химические явления, что расширяет его технологические возможности и повышает точность измерений параметров исследуемого процесса, а также упрощает интерпретацию экспериментальных результатов.

Голографический способ изучения нестационарных процессов, согласно которому при использовании когерентного источника излучения, коллиматора и первого светоделителя формируют первый объектный пучок W_об1 и первый опорный пучок W_оп1, в котором устанавливают первое отражательное зеркало, отличающийся тем, что в первый опорный пучок W_оп1 дополнительно устанавливают второй и третий светоделители, второе и третье отражательные зеркала, первый, второй и третий непрозрачные экраны, при этом второй и третий светоделители, формирующие второй W_оп2, третий W_оп3 и четвертый W_оп4 опорные пучки, устанавливают в первом опорном пучке W_оп1, между первым светоделителем и первым отражательным зеркалом, под углом к оптической оси первого опорного пучка W_оп1, а второе и третье отражательные зеркала устанавливают между вторым и третьим светоделителями и узлом регистрации голограммы, с возможностью последовательного наложения опорных пучков W_оп2, W_оп3 и W_оп4 на объектный пучок W_об1 в плоскости узла регистрации голограммы, при этом первый, второй и третий непрозрачные экраны устанавливают соответственно во втором W_оп2, третьем W_оп3 и четвертом W_оп4 опорных пучках с возможностью их ввода-вывода из рабочего положения.