Оптические методы исследования процессов горения

Основной характеристикой решетки является ее период d-расстояние между аналогичными линиями штрихов, измеренное в направлении, перпендикулярном штрихам. Иногда в качестве характеристики используют частоту - величину, обратную периоду. Второй характеристикой является форма штриха, определяющая зависимость величины амплитудно-фазовых изменений, вносимых решеткой в световой поток, от координаты, перпендикулярной штрихам. Как правило, используют решетки с простой формой штриха - трапецеидальной, синусоидальной, прямоугольной, треугольной.

Период дифракционных решеток изменяется в широких пределах от 10 до 104 штрихов на 1 мм, но для целей интерферометрии чаще всего используют решетки с малой частотой штриха - от 10 до 102 штрихов на 1 мм.

Как известно, после взаимодействия света с дифракционной решеткой пучок параллельных световых лучей разбивается на серию отдельных пучков - дифракционных максимумов. Направление распространения этих пучков определяется из соотношения

sina - sinb = Nl/d,  (3.1)

где a и b - соответственно углы, составляемые направлениями распространения идущего от решетки и падающих на решетку световых потоков и нормалью к ней; N - порядковый номер дифракционного максимума, N=0, ±1, ±2, ...; l - длина световой волны.

Если первоначальный пучок света падает нормально к решетке, то вместо равенства (3.1) имеем

sina = Nl/d. (3.2)

При сравнительно грубых решетках, когда углы дифракции малы, равенства (3.1) и (3.2) принимают вид

 (3.3)

 (3.4)

Так как для большинства схем интерферометров N = 0; 1 или 2, а частота штрихов не превышает 100 штрихов на 1 мм, то почти всегда следует пользоваться равенствами (3.3) и (3.4).

Одна из распространенных оптических схем, на примере которой удобно описать явления, происходящие в интерферометрах с дифракционной решеткой, дана на рис. 3.1.

Источник света И находится в фокальной плоскости основного объектива О1 осветительной части прибора. Часто вместо источника, устанавливаемого непосредственно в фокальной плоскости, применяют систему конденсорных объективов и в качестве источника используют промежуточное изображение светящегося тела. Это удобно, так как промежуточное изображение легко ограничить диафрагмами нужной формы и тем самым удовлетворить требованиям, предъявляемым к источнику света с точки зрения необходимости ограничения его размеров в одном или двух направлениях. Чаще всего такими диафрагмами являются щель или осветительная дифракционная решетка. Из объектива О1 выходит коллимированный пучок света, который проходит через исследуемую неоднородность Н. В плоскости предметов интерферометра, где расположена Н, устанавливают также и диафрагму Д, выделяющую в поле прибора рабочий участок и поле волны сравнения. В практических условиях иногда невозможно поставить Д в плоскость предметов. В этих случаях отступают от идеальной схемы и помещают диафрагму поля предметов Д между неоднородностью и объективом О2. Так как в пространстве О1 и О2 световой пучок коллимирован, то, как правило, такое отступление не приводит к существенному изменению интерференционной картины. За плоскостью предметов устанавливают О2 - основной объектив приемной части прибора, размер которого выбирают так, чтобы его оправа не ограничивалась ни одной из интерферирующих волн. Вблизи от F - второй фокальной плоскости объектива О2 установлена дифракционная решетка R. За решеткой располагается плоскость экрана Э, который устанавливают в том месте, где находится изображение неоднородности Н. При использовании результатов экспериментов необходимо умножить все линейные размеры изображения на масштаб.

На экране наблюдается серия изображений, не закрытых непрозрачными зонами диафрагмы Д участок плоскости предметов, каждое из которых оборудовано светом одного из дифракционных максимумов. Эти изображения сдвинуты относительно нулевого, не сдвинутого изображения, на величину

 (3.5)

где m - масштаб изображения; f — фокусное расстояние объектива О2; s - расстояние от плоскости предметов до первой главной плоскости объектива О2.

Расстояние между изображениями различных порядков

 (3.6)

Для того чтобы рабочая волна и волна сравнения полностью накладывались одна на другую, необходимо, чтобы величина сдвига равнялась расстоянию b между изображениями отверстий диафрагмы. Это достигается при

 (3.7)

Как правило, величины s и f одного порядка, а D значительно меньше, чем каждая из них. Это позволяет пренебречь вторым членом в квадратных скобках выражений (3.5) - (3.7) и записать их в упрощенном виде:

Практически, если в качестве основы прибора используется теневой прибор ИАБ-458, имеющий световой диаметр основных объективов 230 мм и f=1918 мм, то при l=5,25.10-4 мм и интерференции +1 и -1 максимумов для b=60 мм необходимо иметь решетку с частотой 30 штрихов на 1 мм. При интерференции нулевого и первого максимумов можно для рабочего участка использовать половину поля прибора, и для b=100 мм необходимо взять решетку с частотой 100 штрихов на 1 мм.

1.2 Схема интерферометра

Интерферометр с дифракционной решеткой на основе теневого прибора с восстановлением волной сравнения приведен на рис. 3.2.

II. Юстировка и настройка интерферометра

До ввода в действие прибор должен быть отъюстирован. Сборка и юстировка большинства основных деталей интерферометра существенно не отличаются от аналогичных операций для других оптических приборов.

Однако существует несколько операций юстировки, специфичных только для интерферометров с дифракционной решеткой. Это установка диафрагм, выделяющих рабочее поле и поле сравнения, и особенно юстировка дифракционных решеток в осветительной и приемной частях прибора.

Установка диафрагм довольно проста. Их размер и расположение определяются по формулам. Контроль точности установки ведут визуально по совмещению интерферирующих полей. Допустимая погрешность установки обычно велика. Необходимо только, чтобы несовпадение полей было много меньше размера каждого из полей, а это обычно достигается при погрешности установки, примерно равной 0.5-1 мм.

Установка и юстировка дифракционных решеток более сложна, поэтому опишем ее подробно.

Дифракционная решетка приемной части прибора должна быть перпендикулярна оптической оси. Кроме этого необходимо знать положение решетки относительно плоскости изображения осветительной диафрагмы, которая, как правило, совпадает с фокальной плоскостью основного объектива приемной части прибора. Решетку в фокальной плоскости прибора устанавливают одним из двух способов.

Первый способ - автоколлимационный. У основного объектива устанавливают плоское зеркало и через микроскоп одновременно наблюдают дифракционную решетку и ее изображение, образованное после двукратного прохождения через основной объектив и отражения от плоского зеркала. Решетку передвигают вдоль оптической оси до тех пор, пока она и ее изображение не будут одновременно резко видны. Перпендикулярность решетки оптической оси устанавливают и проверяют путем наблюдения периферийных участков решетки, где решетка и ее изображение должны быть одновременно так же резко видны, как и на оптической оси. Этот метод позволяет совмещать решетку с фокальной плоскостью с погрешностью ±0.1 мм для систем, основанных на использовании прибора ИАБ-458.

Второй способ установки решетки в фокусе перпендикулярно оптической оси основан на наблюдении интерференционной картины. При выведенной из фокуса решетке поле освещено неравномерно. Передвигая решетку вдоль оси, добиваются равномерности освещенности поля. При этом считают, что решетка находится в фокусе.

Специфичным этапом юстировки является установка диафрагмы осветительной части прибора, которая ограничивает промежуточное изображение источника света. Если такой диафрагмой служит щель, то она должна быть расположена перпендикулярно оптической оси и параллельно штрихам осветительной решетки.

Не параллельность штрихов приемной и осветительной решеток приводит к увеличению эффективной ширины источника света в направлении, перпендикулярном штрихам решетки, и к снижению контраста интерференционной картины.

Параллельность штрихов решетки обеспечивают одним из двух способов. При первом способе после грубой установки решеток, которая определяет направление интерферирующих полос, поворачивают одну из решеток и наблюдают интерференционную картину в плоскости изображений. Штрихи считают параллельными при таком положении решетки, при котором контраст максимален. Способ используют при настройке на конечную ширину полос, и он имеет то преимущество, что при настройке добиваются максимальной величины наиболее важного при измерениях параметра картины- контраста.

Этим способом нельзя устанавливать решетки параллельно при настройке на бесконечную ширину полос, так как при сдвиге решетки в плоскости изображения источника света юстировка может нарушиться. Поэтому часто приемную решетку устанавливают, совмещая ее с изображением осветительной решетки. Изображение наблюдают через микроскоп или на экране. Грубую настройку можно осуществлять по муаровой картине пересекающихся штрихов осветительной и приемной решеток. Для дальнейшего уточнения положения решеток необходимы наблюдения приемной решетки и изображения осветительной решетки через микроскоп.

Из-за неточности изготовления основных объективов их фокусные расстояния могут иметь некоторый разброс. Поэтому даже при точной установке решеток в фокус периоды изображений осветительной и приемной решеток могут иметь некоторый разброс. Это приводит к ухудшению контраста картины. Для устранения действия этого фактора осветительную решетку сдвигают относительно фокуса объектива приемной части и тем самым меняют масштаб ее изображения. При этом решетку осветительной части каждый раз устанавливают в плоскость изображения осветительной решетки. Наблюдая в микроскоп за соответствием периодов решетки и изображения, добиваются того, чтобы они были равными.

Опыт показывает, что с помощью описанных методик можно добиваться того, чтобы характеристики реального прибора незначительно отличались от идеального. При этом контраст интерференционных полос получается практически равным теоретически рассчитанному.

4. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР СДВИГА НА БАЗЕ ПРИБОРА ТЕПЛЕРА ИАБ-458 (ИАБ-451)

В поляризационных интерферометрах для получения смещенных волновых фронтов (световых пучков) используются поляризационные призмы - преимущественно призмы Волластона, иногда - полярископ Савара. Для поляризации света и получения интерферограммы применяются поляроиды. Поляризационные интерферометры работают по схеме компенсации разности хода, что дает возможность использовать широкий источник света и обеспечивать получение яркой интерферограммы. То есть в этих интерферометрах та часть разности хода, которая зависит от положения светящейся точки источника, компенсируется путем пропускания света через вторую призму.

Поляризационные интерферометры сдвига очень просты в юстировке и регулировках.

I. Схема поляризационного интерферометра сдвига на базе прибора ИАБ-458

Поляризационный интерферометр может быть получен на основе двухобъективного теневого прибора типа ИАБ-458, если в последнем щель и нож заменить призмами Волластона W1 и W2, установленными перпендикулярно к оптической оси прибора (рис 4.1.). Для получения поляризованного света и наблюдения интерференционной картины перед первой призмой и за второй необходимо соответствующим образом установить поляроиды Р1 и Р2.

Перемещением призмы в приемной части вдоль оптической оси относительно фокуса возможна настройка на интерференционные полосы различной ширины. Если призмы Волластона стоят так, что фокусы приходятся на преломляющие грани, то интерферометр настроен на полосы бесконечной ширины.

Конденсор К образует изображение источника света S в фокальной плоскости первого главного объектива О1. Второй раз изображение источника, перевернутое по отношению к первому, образуется в фокальной плоскости второго объектива О2. Исследуемый объект Н помещается между линзами О1 и О2 в параллельном пучке. Средние плоскости призм параллельны друг другу. Плоскость поляризации поляризатора Р1 составляет угол 450 с оптическими осями призмы. Анализатор Р2 параллелен или скрещен с поляризатором.

На рис 4.1. изображен ход одной пары интерферирующих лучей в случае, когда призмы находятся "в фокусах" главных объективов, т.е. по отношению к оптической системе линз О1 и О2 плоскости локализации изохроматических полос совпадают со взаимосопряженными плоскостями. Падающий луч выходит из внеосевой точки источника. В призме W1 он разделяется на лучи 1 и 2. Каждый из лучей 1 и 2, пересекая призму, отклоняется в противоположных направлениях на угол q/2.

Продолжение падающего луча пересекает исследуемый объект в точке L. После прохождения главных объективов лучи 1 и 2 направляются на вторую призму. Их мнимые продолжения пересекаются в точке А` - изображения точки А в первой призме. В призме W2 лучи 1 и 2 снова отклоняются на угол q/2 и соединяются в один луч. При этом во второй призме лучи 1 и 2 должны отклоняться в том же направлении, что и в первой призме.

Оптические пути лучей в воздухе вычислим в приближении, что толщина призмы 2d мала по сравнению с фокусным расстоянием F главных объективов. При вычислении оптических длин лучей в призмах будем пренебрегать наклоном лучей к оси прибора.

Начальная разность хода D между лучами 1 и 2 после пересечения ими второй призмы равна сумме разности de оптических длин в воздухе при распространении света от точки А до точки А` и сумме разностей D1 и D2 оптических длин в призмах. Согласно свойству идеальной оптической системы de=0. Поэтому для получения D достаточно знать Dw=D1+D2.

Призмы вносят разность хода

D1=q1(x1-x1) и D2q2(x2-x2). (4.1)

В компенсационных интерферометрах призмы по отношению одна к другой располагаются таким образом, чтобы осуществлялась компенсация разности хода, зависящей от положения светящейся точки, т.е. чтобы q1x1 и q2x2 имели противоположные знаки. Этому условию удовлетворяют два различных положения второй призмы. В первом положении призмы обращены друг к другу с одинаковыми оптическими осями, но преломляющие углы имеют противоположный знак. Во втором положении призмы обращены друг к другу разными оптическими осями, а преломляющие углы имеют одинаковый знак.

Когда фокусные расстояния главных объективов равны, компенсация разности хода для различных точек источника света происходит при выполнении условия

q1x1 + q2x2 = 0.

Обычно увеличение оптической системы О1-О2 равно единице, поэтому /х1/=/х2/. Следовательно, призмы должны иметь одинаковый преломляющий угол. В этих условиях

D=qx, (4.2)

где x=x1+x2 определяют взаимное расположение средних плоскостей двух призм. Когда призмы находятся в "фокусах" главных объективов, то есть во взаимосопряженных плоскостях, начальная разность хода по всему полю интерференции есть постоянная величина. С немонохроматическим источником на экране наблюдается один цвет - интерферометр настроен на бесконечную полосу.

Когда реализовано условие компенсации разности хода, начальная разность хода не зависит от положения светящейся точки источника света и в интерферометре можно использовать широкий источник света.

При смещении призмы на z1 вдоль оси пучка абсцисса точки падения данного луча на призму изменяется на

Dх`= z1х/F,

где х - абсцисса луча в плоскости главного объектива, или практически то же самое в области исследуемого объекта.

С призмами, не находящимися во взаимосопряженных плоскостях, с учетом формул (4.1) и (4.2), начальная разность хода в поле интерференции определяется соотношением:

D=q(x+zx/F), (4.3)

где z=z2-z1 есть взаимная расфокусировка призм.

Следовательно, в этом случае поле интерференции состоит из системы прямолинейных полос, перпендикулярных направлению сдвига. Ширина полос равна

. (4.4)

I. Сборка и настройка поляризационного интерферометра сдвига на базе теневого прибора ИАБ-458

При работе в режиме интерферометра сдвига в коллиматоре необходимо снять механизм щели и на его место установить узел с призмой Волластона с поляроидом.

В приемной части вместо ножа Фуко установить призму Волластона таким образом, чтобы была нужная ориентация сдвига и нужная настройка интерференционной картины.

Затем добиться резкости изображения объекта исследования. Если надо, установить фотокамеру и фотографировать. Но прежде, необходимо проделать следующие этапы юстировки.

1. Отъюстировать каждый светоделительный узел в отдельности, т.е. определенным образом установить поляроиды относительно призмы.

При правильной юстировке интенсивности интерферирующих пучков должны быть равны и, кроме того, максимальны. Для этого достаточно установить поляроид и призму относительно друг друга на глаз, разглядывая сквозь них отдаленный предмет (лучше всего в виде креста - например, оконный переплет на противоположной стороне улицы) и, поворачивая поляроид до тех пор, пока оба изображения предмета не окажутся одинаково яркими. Рекомендуется при этом держать узел поляроидом к предмету.

2. Дальше правильно ориентировать светоделительные узлы относительно друг друга.

Для этого заметить направление двоения каждого узла. Затем сложить оба узла вместе, призмами внутрь, таким образом, чтобы эти направления совпадали, и снова посмотреть на предмет. Возможны два случая:

а) предмет виден нераздвоенным

б) предмет раздваивается вдвое сильнее

Случаи а) и б) переводятся один в другой поворотом одного из узлов на 1800. Правильной ориентации отвечает второй случай.

В таком положении светоделительные узлы устанавливаются в прибор.

3. После того, как светоделительные узлы выставлены и ориентированы относительно друг друга, приступить к окончательной юстировке интерферометра.

Определить правильное начальное положение светоделительных узлов по отношению к фокальным плоскостям коллиматорного и приемного объективов. (Начальным положениям обоих узлов будем называть такое, при котором в поле интерференции видна бесконечно широкая полоса).

Для этого в фокальной плоскости коллиматора установить щель. Между щелью и источником света поместить поляроид. Установить в прибор приемный светоделительный узел так, чтобы направление двоения его было перпендикулярно щели. Поляроид, стоящий перед щелью, повернуть так, чтобы два изображения рабочего поля казались одинаково яркими. Сузить щель до ширины не более 0.1 мм. Поворотами светоделительного узла добиться появления интерференционной картины. Подвижкой узла вдоль оптической оси установить его так, чтобы в плоскости наблюдения образовалась бесконечно широкая полоса. Затем сместить светоделительный узел перпендикулярно оптической оси в направлении сдвига до получения картины с насыщенной окраской, т.е. полосы приблизительно нулевого порядка.

4. Снять узел щели и установить в прибор, светоделительный узел осветительной части, ориентируя его по отношению к светоделительному узлу приемной части так, как сказано в пункте 2. Слегка разворачивая светоделительный узел осветительной части вокруг оптической оси, добиться появления интерференционной картины. Затем подвижкой этого же узла вновь установить в плоскости наблюдения бесконечно широкую полосу.

5. Светоделительный узел приемной части повернуть так, чтобы сдвиг имел требуемое направление (например, по оси модели или перпендикулярно ей). При этом наблюдать раздвоенное изображение модели либо должным образом ориентированного перекрестия.

6. Светоделительный узел осветительной части повернуть вновь, добиваясь появления интерференционной картины (бесконечно широкой полосы). Поперечной подвижкой приемного осветительного узла получить полосу нулевого порядка.

7. Выполнить заключительные операции - настройку прибора. Ввести светофильтр для монохроматизации излучения и настройте прибор на полосы необходимой ширины и требуемого знака клина интерференции. Это обеспечивается подвижкой светоделительных узлов от начального положения вдоль оптической оси. Их перемещают на одинаковые отрезки навстречу друг другу либо наоборот. Величиной подвижки задается ширина полос, направлением - знак клина интерференции.

8. Фокусировать фотоприставку на выбранную плоскость исследуемого объекта, рассматривать интерференционные полосы на изображении этой плоскости. Если контраст полос неудовлетворителен, то следует повысить его. Для этого светоделительные узлы переместить по оптической оси на равные отрезки в одном направлении и найти для них положение, обеспечивающее наибольший контраст.

9. Убрать светофильтр, и поперечной подвижкой приемного светоделительного узла привести нулевую полосу в требуемое положение.

Юстировка поляризационного интерферометра

Юстировка поляризационного интерферометра чрезвычайно проста и не требует специальных приборов и приспособлений. Ограничимся лишь краткими замечаниями. Юстировка интерферометра должна привести к тому, чтобы в данных условиях интерферограмма имела самые насыщенные цвета (с немонохроматическим источником) или максимальный контраст и самую высокую яркость. Для этого одна призма по отношению к другой должна быть ориентирована таким образом, чтобы происходила компенсация разности хода. Плоскость поляризации поляроидов должна составлять угол 45° с главными сечениями призм. При этом достаточно выставить призмы перпендикулярно к световому пучку простыми механическими средствами. Высокое качество юстировки обеспечивает методика, в которой основным является получение равенства освещенностей двух изображений какого-нибудь предмета, находящегося в рабочем поле интерферометра ("правило равных освещенностей"). По этой методике юстировка компенсационного интерферометра проводится в следующей последовательности:

Страницы: 1, 2, 3, 4