Способ измерения показателя преломления среды

(19) 111) 3151) б 01 М 21/4 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ 13ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) 1. Молочников Б. И. Методы измерения показателя преломления сред. - Измерение, контроль, автоматизация, 1980,7 - 8, с. 3 - 13.2. Патент США379740,кл. б 01 1 Ч 21/41, 1974.(54) (57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СРЕДЫ, включающий линейную поляризацию светового потока, пропускание его через исследуемую среду, определение состояния поляризации светового потока после прохождения через нее и определение показателя преломления среды, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, линейную поляризацию светового потока осуществляют на выходе из исследуемой среды, после чего преобразуют состояние поляризации светового потока в эллиптическое путем пропускания через двупреломляющий кристаллооптический элемент, определяют разность фаз эллиптической поляризации и по ее изменению в зависимости от угла отклонения светового потока на выходе из исследуемой среды определяют ее показатель преломления.Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и предназначенодля измерения показателя преломления в первую очередь твердых прозрачных сред (оптических стекол).Известен дифференциальный гониометри ческий способ измерения показателя преломления сред, в котором коллимированный пучок света направляется на оптическую систему, состояшую из двух или более призм, выполненных из образцового и исследуемого материалов, имеющих достаточно близкие показатели преломления (дп 410 ), Поэтому угол отклонения коллимированного пучка системой призм (или разность углов отклонения) не превышает 10 - 20. Такой угол возможно измерить с погрешностьюр Упорядка 0,3 - 0,4, что соответствует погрешности бдп (3 - 4) х 101.Недостатком его является невысокая точность измерений.Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является способ измерения показателя преломления среды, включаюший линейную поляризацию светового потока, пропускание его через исследуемую среду и определение состояния поляризации светового потока.После прохождения через исследуемую среду световой поток испытывает поступательное или угловое смещение, величина котороо зависит от показателя преломления среды. Используя линейно поляризованный луч, его подвергают оптическому вращению на угол, зависящий от величины смешения. Оптическое вращение измеряется поляризатором, по выходному сигналу которого определяют показател ь преломления 2.Недостатком известного способа является невысокая точность измерений, обусловленная тем, что при наклоне пучка относительно оптической оси клинообразного датчика линейных перемещений имеет место не только вращение плоскости поляризации, зависящее от координаты сечения клина, но и эллиптичность световой волны, Это приводит к весьма существенным погрешностям.Целью изобретения является повышение точности измерения.Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения показателя преломления среды, включающему линейную поляризацию светового потока, пропускание его через исследуемую среду и определение состояния поляризации светового потока после прохождения через нее и определение показателя преломления среды, линейную поляризацию светового потока осуществляют на выходе из исследуемой среды, после чего преобр азуют состояние поляризации светового потока в эллиптическое путем пропускания через двупреломляю 1 О 15 го 25 30 35 40 45 50 55 щий кристаллоптический элемент, определяют разность фаз эллиптической поляризации и по ее изменению в зависимости отугла отклонения светового потока на выходеиз исследуемой среды определяют ее показатель преломления,На фиг. 1 показано возникновение интер фере нцион ного эффекта в кристаллооптическом элементе; на фиг, 2 - принципиальная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.Физическая основа изобретения состоитв масштабном преобразовании с помощьюкристаллооптического элемента малых угловых отклонений света из-за наличия дп взначительное изменение состояния его поляризации (разности фаз эллиптическойполяризаци и)На фиг, 1 показан простейший тип кристаллооптического элемента в виде плоскопараллельной пластины, вырезанной подуглом к оптической оси кристалла.Нормально падающий на пластину широкий пучок линейно поляризованного света А - А разлагается в кристаллооптическом элементе на два когерентных пучка,поляризованных в ортогональных плоскостях и сдвинутых в поперечном направлении на величину д, зависящую от толщиныпластины, ее двупреломления и угла междуосью кристалла и нормалью к поверхности.Если диаметр исходного пучка Р превышает д, то прошедшие кристалл обыкновенный и необыкновенный пучки частичнопереналожены. В области переналоженияпучки интерферируют, результатом чего является эллиптически поляризованная световая волна с некоторой начальной разностьюфаз Фр (в некоторых более сложных конструкциях кристаллооптического элемента1 р может быть равна нулю).При наклоне пучка А-А относительнокристалла на малый угол д (положение А 1 А" ) разность фаз прошедшего эллиптччески поляризованного света изменяется навеличину,= 8;=к 6,где С - сдвиг пучков;Л - длина волны света,Постоянная К = --- д является коэф 2 1 Г б.Лфициентом преобразования углового отклонения пучка в разность фаз. Величина Кв зависимости от выбранного д легко достигает значений 10 - 10. Поэтому очевидно, что малые угловые отклонения света Йперед кристаллом трансформируются в значительные изменения разности фаз 6. Таким образом, сравнительно грубо измеряяразность фаз, возможно очень точное измерение угловых отклонений.Способ реализуется следующим образом.Угловое отклонение пучка преобразуется в ту или иную эллиптичность световой1104399 Составитель С. Гол 1 бсвТехред И. Верес Корректор дс ИльинТираж 823 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж - 35, Раушская наб., д. 4/5Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Редактор А. ШандорЗаказ 502530 волны, разность фаз ортогональных компонент которой связана с величиной углового отклонения. Это преобразование производится с помощью двупреломляюгцего плоскопараллельного кристаллооптического элемента, вырезанного под углом к оптической оси. При прохождении пучка через такой элемент он раздваивается в пространстве и переналагается, т. е. имеет место интерференционный эффект. Величина эллиптичности не зависит от координаты прохождения пучка через кристаллоптический элемент, т. е. постоянна по зрачку.Устройство, реализуюгцее предлагаемый способ, работает следующим образом.Коллимированный пучок неполяризованного света, пройдя диафрагму 1 с двумя круглыми отверстиями и двумя пучками направляется на образцовую 2 и исследуемую 3 призмы с общими гипотенузными и катетными гранями. Преломленные призмами пучки проходят поляризатор 4 и становятся после него линейно-поляризованными, После этого пучки направляются на кристаллооптический элемент 5, подобный изображенному на фиг. 1. Прошедшие кристалл пучки в результате интерференции обыкновенных и необыкновенных лучей приобретают эллиптическую поляризацию. Измерение разности фаз в каждом из пучков осуществляется соответственно устройствами 6 и 7 известной конструкции (например, компенсатором Сенармона с модулятором Фарадея). Они,в свою очередь,подключены к устройству вычитания 8, в котором происходит сравнение разности фаз в каналах.При равенстве показателей преломления образцовой и исследуемой призмы (дп=О) преломленные ими пучки остаются параллельными и падают на кристалл под одинаковым углом. Соответственно на выходе кристалла эллиптически поляризованные пучки имеют одинаковую разность фаз, а устройство вычитания фиксирует нуль.При д пО преломленные призмами пучки, 5образующие между собой некоторый угол А,Ь,падают на кристалл под различйыми углами. Таким образом, разности фаз света в каждом из прошедших кристалл пучков различны. Соответственно их разность, из меряемая устройством вычитания, отличается от нуля и ее значение характеризует угол ЛД,а следовательно, и измеряемое значение лп. Повышение точности в предлагаемом 15способе достигается благодаря регистрации эллиптичности световой волны. не зависящей от координаты прохождения светового пучка по сечению клина, а также поляризацией светового пучка на выходе из измерительного элемента, так как в противном случае при контроле оптических стекол имело бы место искажение эллиптичнос - ги светового пучка из-за натяжений. обуславливающих двупреломление стекол. При использовании в качестве кристаллооптического элемента пластинки кварца толщиной 10 мм, вырезанной под углом 45 к оси, поперечный сдвиг пучков г составляет 0,1 мм.Измерение разности фаз модуляционным методом Сенармона обеспечивает погрешность не более 1 . Как следует из приведенной вь.ше формулы, погрешность измерения угла отклонения ь,в не превосходит 0,05, что соответстьует ногрешности измерения показателя преломления Влп (35 х 10 .Таким образом, предлагаемый способпозволяет на порядок повысить точность измерения показателя преломления по сравнению с известными способами.