двухлучевой интерферометр для измерения показателя преломления изотропных и анизотропных материалов

Формула изобретения

Двухлучевой интерферометр для измерения показателя преломления изотропных и анизотропных материалов, содержащий последовательно расположенные источник монохроматического излучения и полупрозрачное зеркало для разделения излучения на два луча, последовательно расположенные поляризатор, угломерное устройство, установленное с возможностью вращения и предназначенное для размещения образца, и первое отражающее зеркало, установленные в первом разделенном луче, расположенные во втором луче второе отражающее зеркало, а на выходе интерферометра фотоумножитель, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения показателей преломления и упрощения процесса измерений, он снабжен системой непосредственной регистрации порядков интерференции, состоящей из оптического модулятора, установленного между полупрозрачным зеркалом и поляризатором, и расположенных на выходе интерферометра узкополосного усилителя, связанного с выходом фотоумножителя, и регистрирующего устройства, вход которого подключен к выходу узкополосного усилителя, а отражающие зеркала и полупрозрачное зеркало образуют интерферометр Майкельсона.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения показателей преломления изотропных и анизотропных материалов.

Известен многолучевой интерферометр [1] содержащий источник монохроматического излучения, поляризатор, два зеркала, образующие интерферометр Фабри-Перо, фазовую пластинку и исследуемый образец на гониометре, установленные между зеркалами, поляризационный компенсатор, оптический модулятор, фотоэлектронный умножитель, узкополосный усилитель и регистрирующее устройство, принцип действия которого основан на измерении таких углов падения луча на исследуемую пластинку, при которых разность хода интерферометра Фабри-Перо изменяется на целое число интерференционных максимумов. Поскольку к точности изготовления и взаимной ориентации пластин интерферометра предъявляются высокие требования [2] недостатком указанного изобретения является сложность изготовления деталей устройства и особенно их юстировка. Кроме того, многолучевой интерферометр предназначен для измерения показателей преломления лишь изотропных материалов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому двухлучевому интерферометру является устройство, описанное в [3] и состоящее из лазера, расширителя пучка, поляризатора, двух полупрозрачных и двух отражающих зеркал, формирующих интерферометр Маха-Цендера, исследуемого образца, находящегося на поворотном столике, управляемом компьютером, и системы регистрации. Принцип работы указанного устройства основан на регистрации изменений порядка интерференции в формируемой интерференционной картине, связанные с изменениями положения исследуемой пластины образца. Дальнейшая компьютерная обработка полученных экспериментальных результатов приближенным методом итеративной линейной интерполяции является достаточно сложной, требует больших трудозатрат и применения дорогостоящей аппаратуры. Кроме того, это понижает точность определения показателей преломления (погрешность измерений не лучше 10^-4).

Целью изобретения является повышение точности определения показателей преломления и упрощение процесса измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в двухлучевой интерферометр для измерения показателей преломления изотропных и анизотропных материалов (далее двухлучевой интерферометр), содержащий последовательно расположенные источники монохроматического излучения и полупрозрачное зеркало для разделения излучения на два луча, в одном из которых последовательно установлены поляризатор, исследуемый образец на вращающем угломерном устройстве и первое отражающее зеркало, во втором второе отражающее зеркало, а на выходе интерферометра фотоумножитель, отражающие зеркала установлены перпендикулярно падающим лучам и образуют интерферометр Майкельсона, введена система непосредственной регистрации порядка интерференции, состоящая из оптического модулятора, установленного между полупрозрачным зеркалом и поляризатором, и расположенных на выходе интерферометра узкополосного усилителя, связанного с выходом фотоумножителя, и регистрирующего устройства, вход которого подключен к выходу узкополосного усилителя.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема двухлучевого интерферометра. На фиг. 2 представлена экспериментально измеренная зависимость сдвига интерференционной картины от углов вращения пластины образца из плавленого кварца (на вставке эта же зависимость от квадрата угла вращения).

Предлагаемый двухлучевой интерферометр (фиг. 1) содержит источник монохроматического поляризованного излучения 1 (далее лазер), полупрозрачное зеркало 2, плотность падения света на которое для исключения деполяризации излучения лазера 1 параллельна или перпендикулярна плоскости поляризации излучения лазера (ППИЛ), оптический модулятор 3, например электрооптический кристаллический модулятор, оптическая ось которого составляет угол 45^o с ППИЛ поляризатор 4, скрещенный или параллельный ППИЛ, исследуемый образец 5 в виде плоскопараллельной пластины из исследуемого материала, установленный на вращающемся угломерном устройстве 6, два отражающих зеркала 7, 8, расположенные на выходе интерферометра фотоумножитель 9 со щелью на входе, узкополосный усилитель 10 и регистрирующее устройство 11, причем узкополосный усилитель 10 связан с выходом фотоумножителя 9, а вход регистрирующего устройства 11 подключен к выходу узкополосного усилителя 10.

Использование интерферометра Майкельсона вместо интерферометра Маха-Цендера, во-первых, позволяет увеличить в 2 раза чувствительность предлагаемого устройства за счет двойного прохождения луча через образец и, во-вторых, исключает необходимость использования расширяющей лазерный луч оптической системы и снимает ограничения по возможному углу вращения образца ( 90^o) за счет прохождения луча, отраженного от зеркала 7, по тому же оптическому пути. Таким образом, полностью отсутствует взаимное смещение центров интерферирующих световых пучков при вращении образца, а значит, при больших углах вращения образца не снижается контрастность регистрируемой интерференционной картины и увеличивается результирующее значение изменений порядка интерференции), что в конечном результате приводит к уменьшению погрешности определения показателей преломления исследуемых образцов.

Опишем работу предлагаемого устройства.

При вращении плоскопараллельной пластины образца 6 в одном из плеч интерферометра с осью вращения, перпендикулярной направлению падающего света, происходит сдвиг интерференционной картины на выходе интерферометра за счет изменения оптического пути луча, проходящего через образец 5. Регистрация изменения порядка интерференции проводится методом интерференционной модуляции, что значительно повышает точность измерений [2]

Выведем рабочее соотношение, позволяющее рассчитать показатель преломления исследуемого образца 5 по измеренным значениям изменений порядка интерференции при вращении образца 5 на определенный угол. Теоретически сдвиг интерференционной картины k в зависимости от угла поворота пластины образца 5 для интерферометра Майкельсона (аналогично интерферометру Маха-Цендера [3]) описывается следующим соотношением:



где угол, под которым свет распространяется внутри кристалла, отсчитываемый от направления нормали к поверхности образца,

n и d показатели преломления и толщины образца соответственно,

длина волны излучения лазера.

Учитывая, что и cos(-) = coscos+sinsin выражение (1) упрощается к виду



При малых углах вращения и sin² = ² n² тогда уравнение (3) преобразуется к виду



Из формулы (3) находим искомое соотношение для расчета n:



В формуле (4) угол также отсчитывается от нормали к поверхности образца и значение v 0 практически устанавливается по минимуму зависимости k v регистрирующее по изменению знака направления движения интерференционных максимумов в интерференционной картине, при прохождении через v 0.

Последнее уравнение полностью справедливо для изотропного образца, для которого нет необходимости учитывать взаимную ориентацию образца и плоскости пропускания поляризатора (ППП). Для одноосных кристаллов пластину образца вырезают и устанавливают так, чтобы оптическая ось была параллельна вертикальной оси вращения. Тогда при вертикальном ППП измеряют необыкновенный показатель преломления n_l, а при горизонтальной обыкновенный n₀.

В случае двухосных кристаллов измерения трех показателей преломления n₁, n₂ и n₃ можно проводить следующим образом:

1) при наличии двух разных пластин, вырезанных перпендикулярно любым двум осям оптической индикатриссы, проводятся три измерения, когда три оси оптической индикатриссы поочередно устанавливаются параллельно размещенной вертикально поляризации света, а значит, и оси вращения,

2) при наличии одной пластины, вырезанной перпендикулярно одной из осей оптической индикатриссы (пусть, например, оси 3), измерение показателей преломления n₁ и n₂ проводятся согласно п. 1. Для определения n₃ проводятся измерения со светом, поляризованным перпендикулярно оси вращения в одной из двух геометрий, использовавшихся для определения n₁ и n₂ (пусть, например, n₂). В этом случае в уравнениях (1) и (2) для угла v 0, n n₁, а для v 0 0 показатель преломления необходимо заменить на зависящий от угла эффективный показатель преломления /3/

n_эф= [n^-₁²cos²¹+n^-₃²sin²]^-1/2

Решая совместно уравнения (1), (2) и (5), находим искомое значение показателя преломления n₃, зависящее от измеренных значений угла вращения пластины и соответствующего ему изменению порядка интерференции k при известном n₁:



Предлагаемое устройство разработано для прецизионного измерения показателей преломления изотропных или кристаллических материалов. Приведем пример конкретного исполнения. В качестве источника монохроматического излучения 1 использован стабилизированный по длине волны излучения He-Ne лазер типа ЛГН-302.

Для модуляции оптического излучения использован электрооптический модулятор МЛ-5 по 2.081.038 ТО из кристалла метаниобата лития, работающего в режиме удвоения частоты. Отметим здесь, что в качестве оптического модулятора 3 можно использовать другие известные средства интерференционной модуляции. Для регистрации оптического модулированного излучения применен фотоэлектрический умножитель ФЭУ-51, сигнал которого регистрировался через узкополосный усилитель 9, построенный по известным принципиальным схемам, осциллографом С1-83. Измерения проводились для примера на плоскопараллельной пластине из плавленого кварца. Для обеспечения более качественной интерференционной картины в плоскости щели фотоумножителя 9 можно использовать короткофокусную линзу.

Экспериментальная зависимость сдвига интерференционной картины k от угла вращения образца 5 из плавленого кварца представлена на фиг. 2. Как видно, при малых углах зависимость k ( ² ) является линейной, что соответствует (4), а значит, и подтверждает истинность формулы (3).

Оценим погрешность определения n исходя из погрешностей измерений угла вращения dv порядка интерференции dk толщины пластины d и длины световой волны лазера как для измерений по п. 1, так и для п. 2. Для этого исходим из формулы





В последней формуле n₁= n абсолютная погрешность измерения показателя преломления n, рассчитанная по формуле (8).

После соответствующих расчетов из формул (5) и (7) получим:





где и

Численная оценка погрешности произведена для n 1, 6, d 10 мм, 0,6328 мкм. Для максимального реально возможного угла вращения v 87^o расчет по формуле (3) приводит к значению индуцированного изменения порядка интерференции k 18,9 10³. Абсолютная погрешность измерения толщины пластинки образца 5 (фиг. 1) dd при d 10 мм может быть принята ровной 0,01 мкм, а погрешность определения порядка интерференции k 0,007. Нестабильность серийно выпускаемых стабилизированных лазеров типа ЛГИ-302 составляет 310^-8 мкм. Измерение угла вращения с абсолютной погрешностью 110^-6 /1/ приводит к результирующему значению абсолютной погрешности n, равной 4,410^-6, что более чем на порядок превышает точность измерения показателей преломления в /3/ и в 2 раза точнее измерений n стеклянных пластин.

Рассчитанная по формуле (11) абсолютная погрешность измерений показателя преломления n₃ при этих же значениях исходящих параметров двухосного кристалла для бифталата цезия (n₁ 1,6702 и n₃ 1,5263) оказывается равной 1,910^-6, что более чем в 2 раза меньше погрешности n Таким образом, измерение показателей преломления, согласно п. 2, повышает точность определения показателя преломления, что дает возможность рекомендовать его для более точного измерения двух показателей преломления двухосных кристаллов при известном третьем и одного из показателей преломления n₀ или n_e одноосных кристаллов при известном другом. В последнем случае плоскость поляризации света и оптическую ось исследуемого кристалла устанавливают перпендикулярно оси вращения образца.

Главным преимуществом прелагаемого двухлучевого интерферометра является повышение точности определения показателей преломления и упрощение процесса измерений за счет использования схемы интерферометра Майкельсона и непосредственного расчета показателя преломления по формуле (5) или (7). Быстрое измерение n с незначительными трудозатратами позволяет рекомендовать предлагаемое устройство для экспресс-анализа по показателю преломления плоскопаралельных пластин из изотропных и кристаллических материалов в производственных условиях.