МЕТОД ТЕПЛЕРА
Основные положения
Схема интерферометра
ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР СДВИГА НА БАЗЕ ПРИБОРА ТЕПЛЕРА ИАБ-458 (ИАБ-451)
Отъюстировать каждый светоделительный узел в отдельности, т.е. определенным образом установить поляроиды относительно призмы
АВТОКОмПЕНСАЦИОННЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР сДВИГА
Изучение работы и снятие характеристик газового лазера
Изучение работы и снятие характеристик импульсного оптического квантового генератора
Навигация
МЕТОД ТЕПЛЕРА
Оптические методы исследования процессов горения
91435
знаков
1
таблица
22
изображения
2. МЕТОД ТЕПЛЕРА
Метод исследования оптических неоднородностей, основанный на измерении угловых отклонений света e ~ grad n называется методом Теплера или шлирен-методом. Оптические установки, предназначенные для работы методом Теплера, называются приборами Теплера. Они встречаются в самых разнообразных вариантах в зависимости от их назначения.
I. Принципиальная схема прибора Теплера
Принципиальная схема прибора Теплера приведена на рис. 2.1.
Источник света L представляет собой равномерно ярко светящуюся площадку MN, ограниченную по линии М прямолинейным краем. В верхней части рис. 2.1 слева приведен вид источника света L по направлению оптической оси. Длиннофокусный объектив К, исправленный на сферическую и хроматическую аберрации, создает в плоскости М`N` изображение источника L`. Диаметр объектива К должен быть больше размеров исследуемой неоднородности, которая помещается на пути света между объективом К и плоскостью М`N`. Острый край ножа Фуко должен располагаться строго параллельно прямолинейному краю изображения источника света. В верхней части рис. 2.1 справа приведено относительное расположение диафрагмы В и изображения источника света L`. Ширина незакрытой части изображения источника света обозначена через а`. Объектив О дает изображение объектов, находящихся в плоскости исследуемой шлиры S, на экране Э. Соответствующим подбором объектива О можно в известных пределах изменять размер изображения объектов на экране Э и выбрать подходящую для каждого случая освещенность. Обозначения расстояний между различными деталями установки приведено на рис. 2.1.
При отсутствии на пути света шлиры S и если нож Фуко не задерживает лучи в плоскости М`N`, экран Э будет освещен равномерно во всех точках. Освещенность экрана в этом случае обозначим через Е. Если ножом Фуко, перемещая его перпендикулярно оптической оси, задержать часть лучей, падающих на экран, то при отсутствии шлиры равномерность освещения экрана не нарушится, но величина освещенности, пропорциональная а`, уменьшится и станет равной Е`.
При наличии шлиры часть лучей света отклонится на некоторый угол e и вызовет смещение изображения источника света относительно начального изображения, создаваемого не отклоненными лучами на Dа`. На эту же величину оно будет смещено и относительно острого края ножа. Поэтому соответствующие места изображения шлиры получат больше или меньше света в зависимости от того, в какую сторону происходит смещение: если вверх, то освещенность будет больше, если вниз, то меньше, чем освещенность свободного поля при данном положении острого края ножа.
В отличие от теневого метода в шлирен-методе более освещенные и менее освещенные по сравнению со свободным полем части изображения неоднородности соответствуют тем местам шлиры, где происходит отклонение света, но только отклонения имеют противоположные направления.
Так как изменение освещенности экрана DЕ пропорционально смещению изображения источника света Dа`, а последнее однозначно зависит от угла отклонения света e, то по изменению освещенности точки на экране можно определить углы отклонения и, следовательно, grad n в соответствующей точке неоднородности.
Чувствительность метода Теплера
Наличие неоднородности на пути лучей в приборе Теплера выявляется по изменению освещенности экрана, что можно регистрировать, например, фотоэлементом. В этом случае под чувствительностью метода Теплера следует понимать наименьшее абсолютное изменение освещенности (соответствующее наименьшему углу отклонения), которое можно еще зафиксировать с достаточной точностью.
Если же экран наблюдается визуально или фотографируется, то под чувствительностью метода Теплера понимается относительное изменение освещенности экрана a=DЕ/Е, которое еще можно хорошо различить. Изменение освещенности экрана происходит вследствие смещения изображения источника света, создаваемого отклоненными лучами, относительно острого края диафрагмы. Это смещение Dа` пропорционально углу отклонения света в шлире:
Dа`=e×g,
где g - расстояние от неоднородности до плоскости изображения источника света. Тогда на основании выражения для вычисления освещенности экрана, полученного Г.Шардиным
Е+DЕ=hВb`(a`+Dа`)/t2, (2.1)
где h - коэффициент, учитывающий потери в стекле объектива К на отражение и поглощение,
В - яркость источника света,
t - расстояние от главной плоскости объектива О до плоскости экрана Э, можно написать
Е+DЕ=hВb`(a`+Dа`)/t2= hВb`(a`+em g)/t2, (2.2)
где em - наименьший угол отклонения, который можно еще зафиксировать. Разделим почленно полученное выражение на (2.1):
откуда a=em g/a`. (2.3)
Полученное соотношение показывает, что чувствительность метода Теплера прямопропорциональна расстоянию g между диафрагмой и оптической неоднородностью и обратно пропорциональна степени перекрытия диафрагмой изображения источника света.
Теоретически из (2.3) следует, что чувствительность стремится к бесконечности при а`®0. Практически этому мешают дифракционные явления, которые становятся тем заметнее, чем уже делается пропускаемый диафрагмой пучок света. Кроме того, для хорошей различимости изображения необходима известная освещенность поля изображения на экране. Исходя из уравнения (2.1) можно было бы, изменяя ширину изображения щели b`, поддерживать определенную освещенность Е при любом расстоянии а`, однако по техническим причинам желательное увеличение ширины изображения источника света невозможно.
II. Юстировка и настройка прибора Теплера.
Установка диафрагмы
Диафрагма, которая устанавливается в плоскости изображения источника света и служит для перекрытия части лучей, приходящих на экран, играет существенную роль в методе Теплера и от правильной ее установки зависит точность количественных исследований.
Рассмотрим приемы определения правильного положения диафрагмы с одним острым прямолинейным краем (ножа Фуко) при применении в качестве источника света ярко освещенного прямоугольника. Наиболее универсальным является следующий способ. После определения приблизительного положения диафрагмы начинают вдвигать (с помощью микрометрического винта) нож перпендикулярно оптической оси с одной какой-нибудь стороны (рис. 2.2). Вероятно, поле на экране при этом начинает темнеть с одной стороны. Если на экране тень будет надвигаться с той же стороны, что и нож, то это значит, что диафрагма находится между плоскостью изображения источника света и экраном (положение 1 на рис. 2.2). Поэтому диафрагму следует поставить дальше от экрана. Если в новом положении диафрагмы, при ее вдвигании тень будет надвигаться в направлении, противоположном движению диафрагмы, то это означает, что диафрагма находится между плоскостью изображения источника света и объективом, следовательно, ее надо поставить подальше от объектива. Повторяя далее эти операции, можно установить диафрагму точно в плоскости изображения источника света. В этом случае, при диафрагмировании изображения источника света, поле на экране будет темнеть равномерно во всех точках. Возможные при этом неравномерности в освещенности поля на экране могут быть вызваны только недостатками объектива. Можно для правильной установки ножа рекомендовать другой способ. Вблизи изображения источника света (между ним и экраном) устанавливают лупу, которая проектирует увеличенное изображение источника света и края диафрагмы на какой-нибудь экран. Перемещая лупу вдоль оптической оси системы, добиваются резкого изображения на экране источника света. Закрывая далее ножом приблизительно половину изображения источника света и передвигая нож вдоль оптической оси, добиваются резкого изображения острого края диафрагмы (ножа) на экране, что означает, что диафрагма находится в плоскости изображения источника света. Так как изображения прямолинейного края диафрагмы и источника света на экране получаются увеличенными, то, наблюдая взаимное расположение края ножа и изображения источника света на экране и, поворачивая нож в его плоскости вокруг оптической оси, легко установить параллельность прямолинейного края диафрагмы и прямолинейного края изображения источника света. Так же, как и при первом способе, необходимо, чтобы на пути лучей не было оптических неоднородностей и посторонних предметов, так как это ведет к размытости краев изображения источника света. Описанный прием удобен тем, что изображение на экране можно получить значительно увеличенным и одновременно контролировать наличие зазубрин и пылинок на прямолинейном краю диафрагмы и на краях источника света и равномерную освещенность поверхности источника света.
Немалую роль для точности количественных исследований играет правильный выбор расстояния а` - расстояния от прямолинейного края ножа до края изображения источника света. Если ожидаются большие отклонения света при прохождении через неоднородность, то расстояние а` нужно выбирать большим, если же предполагаются малые отклонения, то - малым. Это легко определить предварительным визуальным наблюдением картины в плоскости изображения источника света.
Определение правильного положения экрана
Изображение на экране Э предметов и оптических неоднородностей, находящихся в плоскости s, создается при помощи объектива О.
Чаще в качестве объектива О используется один из двух шлирен-объективов, когда оптическая неоднородность помещается на пути параллельных пучков света (рис. 2.3). В последнем случае плоскость расположения оптической неоднородности и плоскость экрана являются сопряженными относительно объектива К. При малых углах отклонения света в оптической неоднородности можно считать, что даже после ее введения изображение плоскости s на экране Э остается идентичным изображению, проектируемому невозмущенным пучком света. На рис. 2.3 приведен ход луча, проходящего через точку А при отсутствии неоднородности (сплошная линия) и в случае наличия неоднородности, когда он получает малое отклонение (пунктирная линия). В обоих случаях луч попадает в одну и ту же точку экрана А`. Заметим, что сплошная и пунктирная линии пересекают плоскость изображения источника света, где находится нож, в разных точках, т.е. каждый луч удален от края ножа на различные расстояния а`. Если же экран расположен неправильно (положения экрана 1 и 2, проведены пунктиром), то лучи, отмеченные сплошной линией и пунктирной линией, не попадают в одну и ту же точку экрана, что создает теневой эффект от шлиры. Следовательно, для правильной установки экрана необходимо определить такое положение экрана, в котором при убранной диафрагме оптическая неоднородность не видна. Конечно, сильные оптические неоднородности могут быть несколько заметны и при не правильном положении экрана, например, плоский фронт кинетического пламени, или когда оптическая неоднородность имеет значительную глубину.
Прибор интерференционно-теневой ИАБ-458
Прибор интерференционно-теневой ИАБ-458 предназначен для качественных и количественных исследований теневым методом неоднородностей оптически прозрачных сред. В приборе реализуются следующие методы исследования: светящейся точки, щели и ножа, щели и нити, сдвиговой интерферометрии и голографии.
На рис. 2.4 приведена принципиальная схема прибора Теплера ИАБ-458. Он состоит из двух оптических систем: коллиматорной, которая создает параллельный пучок света для просвечивания исследуемой неоднородности, и наблюдательной, которая служит для наблюдения и фотографирования теневой картины.
Коллиматорная часть состоит из зеркально-менискового объектива К1 диаметром 230 мм и фокусным расстоянием 1917 мм, плоского зеркала R1 для изменения направления лучей, закрепленного на одной каретке со щелью L. Последняя устанавливается в фокусе объектива К1. На каретке имеются механизмы поворота и изменения ширины щели.
Наблюдательная часть состоит из точно такого же зеркально-менискового объектива К2, что и в коллиматорной части, плоского зеркала R2 для изменения направления лучей, закрепленного на каретке с ножом В. Последний устанавливается в фокальной плоскости ФФ зеркально-менискового объектива К2. Объектив О может перемещаться вдоль оптической оси и служит для получения резкого изображения шлир и других объектов, находящихся в плоскости ss, на экране Э. На каретке с ножом установлены механизмы перемещения и поворота ножа.
Изменение ширины щели и перемещение ножа в фокальной плоскости объектива К1 производится микрометрическими винтами с точностью до сотых долей миллиметра. Высоту щели можно менять с помощью вставной диафрагмы. Кроме того, имеется вставная диафрагма с отверстиями различных диаметров, которой пользуются при необходимости иметь источник света в форме светящегося круга. В качестве диафрагмы, кроме ножа, можно пользоваться "нитями" различных диаметров.
К каретке наблюдательной системы прикреплен откидной кронштейн, выполненный в виде самостоятельной части. На нем укреплены объектив О, фотозатвор "Темп" и приспособления, позволяющие одновременно наблюдать и фотографировать теневую картину.
Ход лучей в приборе ИАБ-458 показан на рис. 2.4. Щель L с помощью конденсора О` равномерно ярко освещается лампочкой накаливания (12 вольт, 50 ватт) или одной из ртутных ламп ДРШ 250-3 или ДКсШ-200. Свет через щель проходит на зеркало R1 и, отражаясь, падает на зеркало объектива K1 и после второго отражения идет к мениску объектива К1. Так как щель L находится в фокусе объектива К1, то после мениска получается параллельный пучок света. Далее свет проходит через мениск и отражается от зеркала объектива К2 и падает на зеркало R2. После отражения от него в фокальной плоскости объектива К2 создается изображение щели - изображение источника света. Так как зеркально - менисковые объективы К1 и К2 совершенно идентичны, то размеры изображения щели равны размерам самой щели.
К прибору прилагается ряд принадлежностей, из которых следует отметить: окуляры (увеличение в 2.5 и в 5 раз), фотоприставки (ФЭД и рамка от "фотокора"), лупа для проектирования изображения источника света на экран, блок питания для лампочки накаливания и для ДРШ 250-3 и ДКсШ-200, футляры для установки и удержания их, набор призм Волластона, набор "нитей", голографическая приставка РП-460.
III. Методы измерения отклонения света на приборе Теплера
При исследовании относительно грубых шлир удобно пользоваться методами измерения e, не требующими кропотливого процесса фотометрирования. К таким методам относятся метод щели и ножа, метод щели и нити и метод щели и решетки. При применении этих методов в качестве источника света в приборе Теплера используется равномерно ярко освещенная щель.
Как показали исследования Д.Д. Максутова, щель имеет ряд преимуществ перед другими формами источников света и, в частности перед точкой:
1. При той же ширине, что и диаметр точки, и при той же степени перекрытия ее изображения диафрагмой, щель посылает на экран значительно больше света.
2. Значительно повышается чувствительность метода.
3. Дифракционный интерферометр на базе ТЕНЕВОГО прибора ТЕПЛЕРА ИАБ-458 (ИАБ-451)
Среди различных оптических интерферометров широкое применение находит интерферометр с дифракционной решеткой. Применение интерферометров с дифракционной решеткой объясняется тем, что использование дифракционных решеток является удобным способом создания когерентных пучков света.
Вторым положительным качеством интерферометров рассматриваемого типа является то, что при использовании решеток из натянутых нитей или отражательных решеток интерферометрические исследования можно проводить в ультрафиолетовом, инфракрасном и даже СВЧ диапазонах электромагнитных колебаний. Эта особенность является очень важной, так как позволяет применять их для изучения объектов новых классов, имеющих большое практическое значение, например, лазерных систем на углекислом газе, дающих излучение с длиной волны 10.6 мкм.
Наконец, интерферометры с дифракционной решеткой просты и их легко можно, использовать совместно с приборами других типов, например, теневыми приборами.
I. Основы теории интерферометра с дифракционной решеткой
Похожие работы
... датчика и осциллографа. Экспериментальные кривые зависимости времени τ горения частиц от давления p, соответствуют теоретической зависимости. Представляют интерес экспериментальные исследования процесса горения отдельной угольной частицы, движущейся в потоке газа. Такого рода опыты проводили Н. И. Сыромятников и 3.И.Леонтьева. После воспламенения частицы наблюдалось замедление скорости ее ...
... пластмасс различного назначения. Приводимый ниже материал предназначен для студентов химического отделения, специализирующихся по органической химии и химии и физике высокомолекулярных соединений, а также может быть полезен аспирантам, инженерам и научным работникам. 2.1 Метод изучения релаксации напряжения Явление релаксации - это процесс перехода из неравновесного в равновесное состояние ...
... к решению соответствующего интегрального уравнения, при этом могут быть использованы численные методы - аналитические зависимости в этом случае получить не удается. Еще сложнее описать процессы испарения и конденсации частиц, в среде, состоящей из нескольких летучих компонентов [23]. Предполагалось, что процесс стационарный, испаряющиеся компоненты химически инертны, пары представляют собой ...
... для анализа и проверки существующих теорий о процессах, протекающих в пламени, а также для развития и построения новых теорий. Таким образом, целью настоящей работы является изучение существующих методик диагностики пламен и их применения для исследования различных характеристик пламен. Феноменология пламени. Процесс горения веществ – эта сложная быстропротекающая экзотермическая реакция ...
0 комментариев