интерференционный способ измерения показателя преломления в образцах с градиентом показателя преломления
Классы МПК: | G01N21/45 с помощью методов, основанных на интерференции волн; с помощью шлирного метода |
Патентообладатель(и): | Герасимова Людмила Андриевна |
Приоритеты: |
подача заявки:
1994-05-31 публикация патента:
10.07.1997 |
Способ обеспечивает однократное прохождение света через образец, помещенный в интерферометр за счет замены одного из зеркал интерферометра на два зеркала, установленных под углом 90o друг к другу. Регистрируемая интерференционная картина полос равной толщины позволяет получить зависимость значения показателя преломления от координаты в образце.1 ил.
Рисунок 1
Формула изобретения
Интерференционный способ измерения показателя преломления в образцах с градиентом показателя преломления, включающий освещение исследуемого образца, выполненного в виде плоскопараллельной пластины, пучком монохроматического излучения, формирование интерференционной картины двумя отраженными пучками, один из которых проходит через образец, и регистрацию этой интерференционной картины, отличающийся тем, что освещающий пучок делят на два пучка с помощью интерферометра, один из пучков направляют через образец на одно из зеркал интерферометра, выполненное в виде двух зеркал, установленных под углом 90o друг к другу, что обеспечивает однократное прохождение этого пучка через образец, а другой пучок отражают от другого зеркала интерферометра, формируют интерференционную картину полос равной толщины этими двумя пучками, измеряют координаты интерференционных полос в ней с последующим расчетом показателя преломления по формулеn(x)=/dk(x)+no,
где n(x) зависимость показателя преломления от координаты;
- длина волны монохроматического света;
d толщина пластины;
K(x) - зависимость разности порядков интерференции между точками с координатами x и x0 от координаты x;
n0 известный показатель преломления в точке x0.
Описание изобретения к патенту
Изобретение касается измерения оптических параметров веществ, в частности способов интерферометрического измерения показателя преломления. Изобретение может найти применение в различных областях народного хозяйства, где необходимо знание точного значения показателя преломления вещества, в частности в метрологии. Известен способ измерения зависимости показателя преломления от координаты, заключающийся в просвечивании образца перпендикулярно его оптической оси гауссовым пучком и измерении координат входа и выхода пучка из образца (Ильин В. Г. Карапетян Г.О. и др. Измерение аксиального распределения показателя преломления в заготовках для градиентной оптики. Оптико-механическая промышленность, 1989, N 5, с. 13). Наиболее близким к предлагаемому (прототип) является патент Великобритании N 1387905, кл.G 01 N 21/46, 1975, включающий освещение образца узким пучком монохроматического света, сканирующим образец, регистрацию интерференционной картины, полученной от взаимодействия опорного светового пучка, отраженного от первой поверхности образца, и тестового светового пучка, отраженного от второй поверхности образца при двукратном прохождении света через образец, восстановление по интерференционной картине разности фаз между опорным и тестовым пучками, по которой судят о показателе преломления образца. Недостатками данного способа является ограничение области его использования материалами с малыми градиентами показателя преломления, что связано с возможностью реализации способа только в отраженном свете при двукратном прохождении пучка через образец, и низкая точность способа, связанная с необходимостью механического сканирования узким пучком монохроматического света с последующим восстановлением интерференционной картины. Задачей изобретения является расширение класса исследуемых сред на среды с большим градиентом показателя преломления и повышение точности измерений. Эта задача решается за счет того, что в интерференционном способе измерения показателя преломления в образцах с градиентом показателя преломления, включающем освещение исследуемого образца, выполненного в виде плоскопараллельной пластины, пучком монохроматического излучения, формирование интерференционной картины двумя отраженными пучками, один из которых проходит через образец, и регистрацию этой интерференционной картины, дополнительно освещающий пучок делят на два пучка с помощью интерферометра, один из пучков направляют через образец на одно из зеркал интерферометра, выполненное в виде двух зеркал, установленных под углом 90o друг к другу, что обеспечивает однократное прохождение этого пучка через образец, а другой пучок отражают от другого зеркала интерферометра, формируют интерференционную картину полос равной толщины этими двумя пучками, измеряют координаты интерференционных полос в ней с последующим расчетом показателя преломления по формулеn(x)=/dk(x)=no
где n(x) зависимость показателя преломления от координаты;
длина волны монохроматического света;
d толщина пластины;
DK(x) зависимость разности порядков интерференции между точками с координатами x и x0 от координаты x;
n0 известный показатель преломления в точке x0. Известно, что для объекта с показателем преломления n(x), помещенного в интерферометр, оптическая разность хода между интерферирующими лучами в интерферометре при однократном прохождении света через образец записывается в виде
(x)=K(x)=(n(x)-1)d
Тогда зависимость показателя преломления от координаты определяется по формуле
n(x)=no+n(x)=(K(x)-Ko)/d+no,
где n0 показатель преломления в точке x0;
K0-соответствующий точке x0 порядок интерференции. Следовательно, зависимость показателя преломления от координаты дается формулой
n(x)=/dK(x)+no
Таким образом получение двух интерференционных картин с обработкой любой из них и определение зависимости номеров интерференционных полос в ней от координаты позволяет определить зависимость значения показателя преломления от координаты в исследуемом образце. Предлагаемый способ можно реализовать с помощью, например, интерферометра Физо. На чертеже представлена схема устройства, реализующего способ. Устройство содержит источник света, создающий монохроматический пучок лучей 1, полупрозрачное зеркало 2, делящее пучок лучей на отраженный (опорный) и прошедший (тестовый) пучки, зеркала 3 и 4, делящие прошедший (тестовый) пучок лучей на два пучка, идущих в противоположных направлениях по одному и тому же пути. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. I. Параллельный пучок монохроматического света 1 в интерферометре (тестовый пучок) дополнительно разделяют на две части с помощью замены одного из зеркал интерферометра на два зеркала 3 и 4, установленных под углом 90o друг к другу. II. Устанавливают плоскопараллельную пластину 5, вырезанную вдоль градианта показателя преломления, в пучок света нормально к падающему излучению. III. Регистрируют две идентичные интерференционные картины, образованные взаимодействием опорного пучка с каждой из двух частей тестового пучка, однократно прошедших через образец (в противоположных направлениях). IV. Изменяют координаты интерференционных полос в одной (любой) интерференционной картине с последующим определением зависимости номеров интерференционных полос в ней от координаты и определяют зависимость показателя преломления от координаты по формуле
n(x)=/dK(x)+no
где n(x) зависимость показателя преломления от координаты;
длина волны монохроматического света;
d толщина пластины;
DK зависимость разности порядков интерференции между точками с координатами x и x0 от координаты x,
n0 известный показатель преломления в точке x0. Точность определения показателя преломления зависит от толщины исследуемого образца и точности определения долей интерференционных полос. Использование, например, стандартного прибора Zygo на базе интерферометра Физо с 632 нм, с точностью измерения интерференционной полосы до l/60, толщиной плоскопараллельного исследуемого образца 1 мм и n0 1 51831, измеренного с помощью стандартного рефрактометра Пульфриха на поверхности исследуемой пластины с точностью до 110-5, дает погрешность измерения значения показателя преломления в произвольной точке образца с градиентом показателя преломления не хуже 210-5.
Класс G01N21/45 с помощью методов, основанных на интерференции волн; с помощью шлирного метода