Интерферометр (варианты)

Классификация по МПК: G01B

Патентная информация
Патент на изобретение №: 
2209406
Дата публикации: 
Воскресенье, Июль 27, 2003
Начало действия патента: 
Вторник, Октябрь 8, 2002

Изобретения относятся к области измерения оптических характеристик веществ и могут быть использованы для измерения показателя преломления жидкости или газа. Интерферометр содержит оптически сопряженные источник светового излучения, отражающее зеркало, выполненное частично пропускающим световое излучение, тонкий частично пропускающий слой толщиной не более λ/2, расположенный на одной из поверхностей клиновидного элемента, на второй поверхности которого расположено в виде отражающего покрытия отражающее зеркало, периодическую систему, содержащую фотоэлементы, расположенную позади отражающего зеркала, и спектроанализатор. Клиновидный элемент выполнен в виде кюветы, заполненной жидкостью или газом, при этом угол ϕ между противоположными гранями упомянутой кюветы, на которых расположены соответственно тонкий частично пропускающий слой и отражающее зеркало, задан из соотношения sinϕ= λ/2dn, где λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, n - показатель преломления жидкости или газа, заполняющего кювету. В одном из вариантов интерферометра упомянутая кювета выполнена проточной. Изобретения позволяют измерять с высокой точностью абсолютное значение показателя преломления жидкости или газа. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

,


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Изобретения относятся к области измерения оптических характеристик веществ и могут быть использованы для измерения показателя преломления жидкости или газа.

Классическим устройством для измерения показателя преломления газа является интерферометр Жамена, выполненный в виде двух плоскопараллельных пластин одинаковой толщины. При этом на одну из поверхностей каждой пластины нанесено зеркальное покрытие, а между упомянутыми пластинами расположены газовые кюветы (Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973, с.285-286).

Данный интерферометр обладает высокой точностью измерения показателя преломления газа, находящегося в кюветах.

К его недостаткам следует отнести сложность измерения абсолютного значения показателя преломления.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является интерферометр, содержащий оптически сопряженные источник светового излучения, отражающее зеркало, выполненное частично пропускающим световое излучение, тонкий частично пропускающий слой толщиной не более λ/2, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны, и расположенный на одной из поверхностей клиновидного элемента, на второй поверхности которого расположено в виде отражающего покрытия упомянутое отражающее зеркало, периодическую систему, содержащую фотоэлементы, расположенную позади отражающего зеркала, и спектроанализатор [патент РФ 2189017, по МКИ 7 G 01 J 3/00, G 01 В 9/02, G 01 R 23/17, опубл. 10.09.2002 (прототип)]. При этом клиновидный элемент выполнен в виде воздушного клина или в виде оптического клина из оптически прозрачного материала.

К его недостаткам следует отнести сложность измерения показателя преломления жидкости или газа.

Задачей изобретения является измерение абсолютного значения показателя преломления жидкости или газа, в том числе и в потоке.

Кроме того, один из предлагаемых интерферометров позволяет одновременно с измерением показателя преломления жидкости или газа в потоке измерять скорость упомянутого потока жидкости или газа.

Поставленная задача может быть решена за счет того, что в интерферометре, содержащем оптически сопряженные источник светового излучения, отражающее зеркало, выполненное частично пропускающим световое излучение, тонкий частично пропускающий слой толщиной не более λ/2, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны, и расположенный на одной из поверхностей клиновидного элемента, на второй поверхности которого расположено в виде отражающего покрытия упомянутое отражающее зеркало, периодическую систему, содержащую фотоэлементы, расположенную позади отражающего зеркала, и спектроанализатор, упомянутый клиновидный элемент выполнен в виде жидкостной или газовой кюветы, при этом угол ϕ между противоположными гранями упомянутой кюветы, на которых расположены, соответственно, упомянутые тонкий частично пропускающий слой и отражающее зеркало, задан из соотношения sin ϕ= λ/2dn, где λ - длина световой волны; d - период интерференционных полос, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, n - показатель преломления жидкости или газа, заполняющего кювету.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1), на котором представлена схема интерферометра.

Интерферометр содержит оптически сопряженные источник 1 светового излучения, отражающее зеркало 2, выполненное частично пропускающим световое излучение, тонкий частично пропускающий слой 3 толщиной не более λ/2, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны, и расположенный на одной из поверхностей клиновидного элемента 4, на второй поверхности которого расположено в виде отражающего покрытия отражающее зеркало 2, периодическую систему 5, содержащую фотоэлементы 6, расположенную позади отражающего зеркала 2, и спектроанализатор 7. Клиновидный элемент 4 выполнен в виде жидкостной или газовой кюветы 8, при этом угол ϕ между противоположными гранями кюветы 8, на которых расположены, соответственно, тонкий частично пропускающий слой 3 и отражающее зеркало 2, задан из соотношения sin ϕ= λ/2dn, где λ - длина световой волны; d - период интерференционных полос 9, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое 3 при воздействии стоячей световой волны, n - показатель преломления жидкости или газа, заполняющего кювету 8. Заполнение и опорожнение кюветы 8 жидкостью или газом осуществляется посредством запорных кранов 10 и 11. Отражающее зеркало 2 выполнено в виде отражающего покрытия с коэффициентом отражения 0,50-0,99 и коэффициентом пропускания 0,01-0,50. На периодическую систему 5, содержащую фотоэлементы 6, спроецировано изображение системы интерференционных полос 9. Периодическая система 5, содержащая фотоэлементы 6, выполнена в виде линейки или матрицы приборов с зарядовой связью.

Интерферометр работает следующим образом.

Световой поток от источника 1 светового излучения поступает на отражающее зеркало 2, отражается от него и в виде стоячей световой волны поступает на тонкий частично пропускающий слой 3. За счет того, что тонкий частично пропускающий слой 3 рассеивает или поглощает энергию электрического поля стоячей световой волны, и расположен наклонно, в нем образуется система интерференционных полос 9, регистрацию которой можно осуществить в виде сигнала пространственной частоты с периодом следования d. При этом период следования d задан из соотношения sin ϕ=λ/2dn, где λ - длина световой волны; n - показатель преломления жидкости или газа, заполняющего кювету 8.

Изображение системы интерференционных полос 9 проецируется через частично пропускающее световое излучение отражающее зеркало 2 на периодическую систему 5, содержащую фотоэлементы 6. Далее, спроецированное изображение системы интерференционных полос 9 на упомянутую систему 5, содержащую фотоэлементы 6, регистрируется в виде их зависимости от местоположения фотоэлементов 6 в периодической системе 5. Записанные электрические сигналы подвергаются преобразованию Фурье на спектроанализаторе 7 и находят период d интерференционных полос 9. Затем, зная угол ϕ между противоположными гранями кюветы 8 и длину λ световой волны, находят по формуле sinϕ=λ/2dn показатель преломления n жидкости или газа.

Поставленная задача - измерение абсолютного значения показателя преломления жидкости или газа в потоке с одновременным измерением скорости упомянутого потока - может быть решена за счет того, что в интерферометре, содержащем оптически сопряженные источник светового излучения, отражающее зеркало, выполненное частично пропускающим световое излучение, тонкий частично пропускающий слой толщиной не более λ/2, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны, и расположенный на одной из поверхностей клиновидного элемента, на второй поверхности которого расположено в виде отражающего покрытия упомянутое отражающее зеркало, периодическую систему, содержащую фотоэлементы, расположенную позади отражающего зеркала, и спектроанализатор, упомянутый клиновидный элемент выполнен в виде проточной жидкостной или газовой кюветы, при этом угол ϕ между противоположными гранями упомянутой кюветы, на которых расположены, соответственно, упомянутые тонкий частично пропускающий слой и отражающее зеркало, задан из соотношения sinϕ= λ/2dn, где λ - длина световой волны; d - период интерференционных полос, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, n - показатель преломления жидкости или газа, протекающего через кювету.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.2), на котором представлена схема интерферометра.

Интерферометр содержит оптически сопряженные источник 1 светового излучения, отражающее зеркало 2, выполненное частично пропускающим световое излучение, тонкий частично пропускающий слой 3 толщиной не более λ/2, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны, и расположенный на одной из поверхностей клиновидного элемента 4, на второй поверхности которого расположено в виде отражающего покрытия отражающее зеркало 2, периодическую систему 5, содержащую фотоэлементы 6, расположенную позади отражающего зеркала 2, и спектроанализатор 7. Клиновидный элемент 4 выполнен в виде проточной жидкостной или газовой кюветы 8, при этом угол ϕ между противоположными гранями кюветы 8, на которых расположены, соответственно, тонкий частично пропускающий слой 3 и отражающее зеркало 2, задан из соотношения sinϕ=λ/2dn, где λ - длина световой волны; d - период интерференционных полос 9, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое 3 при воздействии стоячей световой волны, n - показатель преломления жидкости или газа, протекающего через кювету 8. Протекание жидкости или газа через проточную кювету 8 осуществляется посредством открытия запорных кранов 10 и 11. Отражающее зеркало 2 выполнено в виде отражающего покрытия с коэффициентом отражения 0,50-0,99 и коэффициентом пропускания 0,01-0,50. На периодическую систему 5, содержащую фотоэлементы 6, спроецировано изображение системы интерференционных полос 9. Периодическая система 5, содержащая фотоэлементы 6, выполнена в виде линейки или матрицы приборов с зарядовой связью.

Интерферометр работает следующим образом.

Световой поток от источника 1 светового излучения поступает на отражающее зеркало 2, отражается от него и в виде стоячей световой волны поступает на тонкий частично пропускающий слой 3. За счет того, что тонкий частично пропускающий слой 3 рассеивает или поглощает энергию электрического поля стоячей световой волны, и расположен наклонно, в нем образуется система интерференционных полос 9, регистрацию которой можно осуществить в виде сигнала пространственной частоты с периодом следования d. При этом период следования d задан из соотношения sinϕ=λ/2dn, где λ - длина световой волны; n - показатель преломления жидкости или газа, протекающего через кювету 8.

Изображение системы интерференционных полос 9 проецируется через частично пропускающее световое излучение отражающее зеркало 2 на периодическую систему 5, содержащую фотоэлементы 6. Далее, спроецированное изображение системы интерференционных полос 7 на упомянутую систему 5, содержащую фотоэлементы 6, регистрируется в виде их зависимости от местоположения фотоэлементов 6 в периодической системе 5. Записанные электрические сигналы подвергаются преобразованию Фурье на спектроанализаторе 7 и находят период d интерференционных полос 9. Затем, зная угол ϕ между противоположными гранями кюветы 8 и длину λ световой волны, находят по формуле sinϕ=λ/2dn показатель преломления n жидкости или газа.

Измерение скорости потока жидкости или газа в проточной кювете 8 осуществляется следующим образом. Так как на поток жидкости или газа в проточной кювете 8 воздействуют стоячей световой волной, то, за счет эффекта увлечения средой, на тонком частично пропускающем слое 3 наблюдается бегущая интерференционная картина и регистрацию разностной частоты двух когерентных световых волн (падающей на отражающее зеркало 2 и отраженной от него) осуществляют путем измерения частоты временной модуляции системы интерференционных полос 9. Для этого записанные электрические сигналы подвергаются преобразованию Фурье по координате времени и в результате, после соответствующей математической обработки, находят скорость движения потока жидкости или газа в направлении распространения упомянутого светового излучения.

Предлагаемые интерферометры позволяют измерять с высокой точностью абсолютное значение показателя преломления жидкости или газа и могут найти применение, например, в качестве миниатюрных датчиков для жидкостных или газовых хроматографов.


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Интерферометр, содержащий оптически сопряженные источник светового излучения, отражающее зеркало, выполненное частично пропускающим световое излучение, тонкий частично пропускающий слой толщиной не более λ/2, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны и расположенный на одной из поверхностей клиновидного элемента, на второй поверхности которого расположено в виде отражающего покрытия упомянутое отражающее зеркало, периодическую систему, содержащую фотоэлементы, расположенную позади отражающего зеркала, и спектроанализатор, отличающийся тем, что клиновидный элемент выполнен в виде кюветы, заполненной жидкостью или газом, при этом угол ϕ между противоположными гранями кюветы, на которых расположены соответственно тонкий пропускающий слой и отражающее покрытие, задан из соотношения sinϕ=λ/2dn, где λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, n- показатель преломления жидкости или газа, заполняющего кювету.

2. Интерферометр, содержащий оптически сопряженные источник светового излучения, отражающее зеркало, выполненное частично пропускающим световое излучение, тонкий частично пропускающий слой толщиной не более λ/2, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волы и расположенный на одной из поверхностей клиновидного элемента, на второй поверхности которого расположено в виде отражающего покрытия упомянутое отражающее зеркало, периодическую систему, содержащую фотоэлементы, расположенную позади отражающего зеркала, и спектроанализатор, отличающийся тем, что клиновидный элемент выполнен в виде кюветы, через которую протекают жидкость или газ, при этом угол ϕ между противоположными гранями кюветы, на которых расположены соответственно тонкий пропускающий слой и отражающее покрытие, задан из соотношения sinϕ=λ/2dn, где λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, n - показатель преломления жидкости или газа, протекающего через кювету.