Способ измерения толщины тонкого слоя прозрачной жидкости

 

Изобретение относится к оптическим способам измерения толщины слоя прозрачной жидкости. В способе используется явление термокапиллярной конвекции, которая возбуждается лазерным излучением в слое жидкости. За счет конвекции поверхность жидкости деформируется в виде углубления в области падения лазерного луча. Отраженный от углубления луч лазера формирует интерференционную картину. Толщину слоя жидкости определяют по минимальному диаметру интерференционной картины. Способ позволяет повысить точность, расширить диапазон и упростить схему измерения толщины слоев оптической прозрачной жидкости. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к оптическим способам измерения толщины слоя прозрачной жидкости.

Известен способ [1], в котором на исследуемую гладкую поверхность направляют узкий луч света. При наличии на поверхности прозрачного слоя луч формирует на ней яркую многозональную область, которая считывается удаленным датчиком. Размеры области зависят от толщины слоя. Способ неприменим для измерения толщины прозрачного слоя на матовой (диффузно рассеивающей) твердой поверхности или слоя жидкости неоднородного по толщине из-за отклонения от горизонтальности плоской твердой поверхности, на которой находится слой. Кроме того, для измерения толщины тонких слоев жидкости с точностью порядка нескольких микрометров, необходим датчик с высокой разрешающей способностью.

Предлагаемый способ позволит повысить точность, упростить схему и процесс измерения толщины слоев оптически прозрачных жидкостей и расширить диапазон измерений на слои жидкости на матовой поглощающей излучение поверхности и на слои на твердой плоской поверхности, толщина которых неоднородна из-за негоризонтальности поверхности.

Способ состоит в том, что в слое жидкости лазерным пучком создают область возбуждения в виде фотоиндуцированного термокапиллярного (ТК) конвективного вихря, приводящего к динамической деформации свободной поверхности жидкости в виде углубления. Толщину слоя в точке падения лазерного пучка определяют по минимальному диаметру ТК отклика, который в случае неоднородности толщины слоя жидкости из-за негоризонтальности твердой поверхности имеет характерную форму, зависящую от угла наклона подложки к горизонтальной плоскости, фиг. 1.

Пример. На фиг. 1 показаны две серии фотографий ТК отклика, полученные при облучении пучком He-Ne лазера (мощностью 1 мВт) слоев октана разной толщины на одной и той же эбонитовой подложке. Снимки (слева направо) расположены в порядке возрастания угла α наклона плоскости подложки к горизонтальной плоскости, но при постоянной толщине слоя в центре индуцирующего конвекцию лазерного пучка.

Схема эксперимента показана на фиг. 2. Здесь 1 - индуцирующий конвекцию лазерный пучок; 2 - поглощающая излучение подложка, угол α наклона подложки к горизонтальной плоскости может изменяться путем ее вращения вокруг оси 3, благодаря чему толщина слоя жидкости 4 в сечении плоскости оси вращения подложки остается равной толщине слоя жидкости при горизонтальном положении подложки и не зависит от угла наклона подложки. ТК отклик фотографируется зеркальным фотоаппаратом 5 (без объектива), прямым проецированием на фотопленку.

Небольшая эллиптичность ТК откликов при α = 0^o связана с эллиптичной формой пучка лазера, используемого в экспериментах. Верхняя серия фотографий соответствует слою жидкости толщиной 260 мкм (в сечении оси вращения сосуда), нижняя - 200 мкм. ТК отклик характеризуется двумя взаимно перпендикулярными диаметрами. Один из диаметров ТК отклика (на фотографиях горизонтальный) не зависит от угла наклона подложки и определяется толщиной слоя жидкости в центральной точке лазерного пучка. Другой диаметр отклика (на фотографиях вертикальный) растет с увеличением угла α. По техническим причинам, на снимках взаимно перпендикулярые прямые, которым принадлежат характерные (максимальный и минимальный) диаметры ТК отклика, повернуты на небольшой угол относительно осей кадра. В случае лазерного пучка круглого сечения независимо от угла наклона подложки толщину слоя в точке падения пучка определяют по минимальному диаметру ТК отклика.

Таким образом, для измерений в неоднородных по толщине слоях жидкости, из-за негоризонтальности твердой поверхности, пригодны калибровочные зависимости диаметра ТК отклика от толщины, полученные для плоскопараллельного слоя жидкости.

Литература 1. US 5541733 A (National Research Council of Canada), G 01 В 11/06, 30.07.1996.

Формула изобретения

Способ измерения толщины тонких слоев прозрачной жидкости, включающий ее облучение лазерным пучком, создание области возбуждения, по которой судят о толщине слоя жидкости, отличающийся тем, что область возбуждения создается в виде фотоиндуцированного термокапиллярного конвективного вихря, приводящего к динамической деформации ее свободной поверхности в виде углубления, а толщину слоя определяют по минимальному диаметру интерференционной картины, наблюдаемой на экране, помещенном в поперечном сечении каустики отраженного от углубления луча лазера.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2