Устройство для измерения поляризационных характеристик анизотропных сред

(39) И) СОЮЗ О,ЕЕТСНИХЮНЩЭВЩ 4 ЕСиИК1%СПУБЛИК 159 А ИОАН Т ЗОБ ВТОРСНОМЪ/ СВИ тора по ходля исслено отражаходящего ркало луча ны первая пластинки, ханизмом ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТ(56) 1. Гораков М. М. Эллипсометрия.М., "Советское радио", 1974, с. 83,2, Бужинский А.Н, Лейкин М. В.Поляриметрические приборы для исследования молекулярного строения вещества. ОМП, 1971, 11, с, 55.3. Велюз Л, и др. Оптический круговой дихроиэм. М фМирф, 1967,с. 71-89;4. Дисперсия оптического вращенияи круговой дихроизм в.органическойхимии, Материалы симпозиумав Бойне24.09-01,10.65. Под ред, Г. Шнатцке. М. "Мир", 1970.5, Баранова Н. Б. и др,Измерение сверхмалых поворотов плоскости г,зляризации света. Физический институт АН СССР,.препринт124, ч, )1, 1977 (прототип).(54(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АНИЗОТРОПННХ СРЕД, содержащее оптическисвязанные источник монохроматического излучения,.коллиматор, светоделительное зеркало, поляризатор, модулятор держатель для исследуемого образца, нормально отражающее зеркало, .компенсатор, аналйзатор, Фотоприемник, соединенный с регистрирующимустройством, о т л и ч а ю щ е"е с,ятем, что, с целью измерения всех поляриэационных параметров аниэотропных сред и упрощения устройства, поляризатор н модулятор последовательнорасположены после коллимаду луча, между держателемдуемого образца и нормальвз 1 им зеркалом по ходу прочерез светоделительное зепоследовательно расположеи вторая четвертьволновыепричем вторая снабжена медля равномерного вращения вокруг оси луча, а компенсатор, анализатор и фотоприемник расположеныпосле светоделительного зеркала по ходу отраженного от него луча со стороны нормально отражающего зеркала, между компенсатором и анализатором расположена 9 третья четвертьволновая пластинка, снабженная механизмом параллельного смещения, после анализатора установлен прерыватель луча, при этом моду- С, лятор выполнен электрооптическим, компенсатор - вазовым, держатель для Я исследуемого образца - в виде столика для исследуемого образца с поворотными механизмами, главные оси первой и третьей четвертьволновых пластинок составляют угол 45 О, поляриза,ционйая ось поляризатора перпендику- ф лярна главной оси первой четверть- волновой пластинки, главная ось элект вфла рооптического модулятора параллель- ( на главной оси третьей четвертьволновой пластинки, главная ось компен- СЛ сатора параллельна главной оси пер- ( вой четвертьволновой пластинки, причем айализатор выполнен с возможностью вращения вокруг оси луча и снабжен устройством отсчета азимутов угла поворота, а между Фотолриемником и регистрирующим устройствомвведены два узкополосных усилителя.15 20 60 65 Изобретение относится к оптике и измерительной технике и предназначено для исследования анизотропных сред.Известны устройства для измерения эллиптичности (линейного двупреломяения) Г 1), поворота плосности поляри" зации (циркуляционного двупреломления) 2, линейного дихроиэма и циркулярногб 3 и 4)для получения высокой чувствитель ности и точности, как правило, устройства работают в модуляционном режиме, причем в качестве модуляторов используют механические, электрооптические, магнитооптические и другие модуляторы.Недостатком известных устройств является то, что они не применимы для одновременного точного измерения всех поляризационных параметров. В частности, при одновременном воздействии линейного двупреломления и циркуляциоиного дихроизма ухудшается точность измерений с помощью известных эллипсометров, поскольку оба эти явления проявляются появлением или изменением эллиптичности. Аналогично, при одновременном действии циркуляционного двупреломпения н линейного дихроизма ухудшается точность измерений известных поляриметров 2, ,поскольку оба эти явлЕния проявляются поворотом плоскости поляризации.Наиболее блИзким техническим решением является устройство для измерения поляризационных характеристик аниЗ 5 эотропных сред, содержащее оптически связанные источник монохроматического излучения, коллиматор, светодели.тельное зеркало, поляризатор, модулятор, камеру для исследуемого образ ца, нормально отражающее зеркало, компенсатор, анализатор, фотопрнем. ник, соединенный с регистрирующим устройством 153.Устройство предназначено для из мерения сверхмалых поворатов плоскости поляризации, однако оно ве позволяет проводить измерения линейного двупреломления, линейного и циркуляционного дихроизмов, что ограничива ет область его применения. Для исключения влияния нестабильности рабочей точки модулятора, а также для исключения влияния внешних магнитных молей использована система автоматической подстройки магнитооптического модулятора, что усложняет констРукцию устройства. Целью изобретения является измерение всех поляриэационных параметров анизо 1 ропных сред и упрощение устройства.Для достижения цели в устройстве для измерения поляризационных характеристик анизотропных сред, содержащйм оптически связанные источник ьюнохроматического излучения, коллиматор, светоделительное зеркало, поляризатор, модулятор, держатель для исследуемого образца, нормально отражающее зеркалокомпенсатор, анализатор, фотоприемник, соединенный с регистрирующим устройствьм, поляризатор и модулятор последовательно расположены после коллиматора по ходу луча, между держателемдляисследуемого образца и нормально отражающим зеркалом по ходу прдходящего через светоделительное зеркало луча последовательно расположены первая и вторая четвертьволновые пластинки, причем вторая снабжена механизмом для равномерного вращения вокруг оси луча, а компенсатор, анализатор и фотоприемник расположены после светоделительного зеркала по ходу отраженного от него луча со стороны нормально отражающего зеркала, между компенсатором и анализатором расположена третья четвертьволновая пластинка, снабженная механизмом параллельного смещения, после анализатора установлен прерыватель луча, при этом модулятор выполнен электрооптическим, компенсатор - фазовым, держатель для исследуемого образца - в виде столика для исследуемого образца с поворотными механизмами, главные оси первой и третьей четвертьволновых пластинок составляют угол 45, поляризационная ось поляризатора перпендикулярна главной оси первой четвертьволновой пластинки, главная ось электрооптического модулятора параллельна главной оси. третьей четвертьволновой пластинки, главная ось компенсатора параллельна главной оси первой четвертьволновой пластинки, причем анализатор выполнен с возможностью вращения вокруг оси луча н снабжен устройством отсчета азимутов угла поворота, а между фотоприемником и регистриру" няням устройством введены два узкополосных усилителя.На Фиг. 1 изображена схема устройства; на фиг, 2 - принцип действия устройства с помощью сферы Пуанкаре (СП) для линейного двупреломпения и линейного дихроизма, на фиг. 3 то же, для циркулярного двупреломления и циркулярного дихроизма. Устройство содержит источник 1 монохроматического излученияколлиматор 2, поляризатор 3, электрооптический модулятор 4, светоделительное зеркало 5, столик для.исследуемого объекта с поворотными механизмами б, четвертьволновую пластинку 7 с азимутом оптической оси Оо, вторую четвертьволновую пластинку 8 с механизмом для равномерного вращения вокругоси, параллелькой лучу, нормально линейному дихроизмуьЫ= Кч - Ынтражающее зеркало 9 кварцевый ком- Дпя ее компенсации необходимо (притинпеисатор 10 для компенсации искаже- отсутствии четвертьволновой пласти -ний состояния поляризации луча на ки 11) повергать анализатор на уголсветоделительном зеркале 5 ф четверть (точка А , фиг, 2), где Ю1тической оси 45" и с механизмом для 1ЬЫлВГс 5 и%" чволновую пластинку 11 с азимутом оп- з 1 точ яф2сиГпараллельного смещения в плоскости, + .у "М+ чперпендикулярной лучу, анализатор 12,которыЯ в начальном положении имеет причемГни Г - коэффициенты пропусазимут плоскости поляризации 45 ф, пре.0 кания для ортогональных линейно порыватель 13 луча, фотоприемник 14, ляризованных лучей.узкополосные усилители 15 и 16, наст- : Если исследуеьнй объект обладаетоенные соответственно на нечетную циркулярным двупреломлекием, то дуроеи четную гармоники, и регистрирующеега И поворачивается вокр густройство 17. 15 на угол Д . 2 Ю, где д- разностьПринцип действия устройства удоб" фаз между ортогональными аиркулярноно показать с помощью сферы Пуанкаре. поляризованными лучами, а- повоБлагодаря поляризатору 3 и электро- рот плоскости поляризации луча, прооптическому модулятору 4 на исспеду- шедшего туда и обратно через исслеемый объект падает луч с модулиро дуемый объект. При этом на выходеванным состоянием поляризации, кото- фотоприемника имеет место четнаярое изображается дугой и с центром гармоника, амплитуда которой пропорв точке Ч, лежащей в плоскости Ч 1.й. циональна величине ь 1 и 2. Для ееВ момент, когда оптическая ось компенсации необходимо (при отсутчетвертьволновой пластинки В имеет 25 ствии четвертьволнововой пластинки 11)азимут Оф или 90 ф при прохождении повернуть анализатор на угол Ф (точлуча сквозь исследуемый объект туда ка А, фиг. 3).и обратно, циркулярное двупреломле- Если исследуемюй объект обладаетние и циркулярный дихроизм вычитают- циркулярным дихроизмом, дуга окружся линейное двупрелоиление и линей- ности М преобразуется в дугу эллипный дихроизм складываются. При отра- са М . При этом н ы д фФ30женин обратного луча от светодели- ника имеет место нечетная гармоника,тельного зеркала 5 между составля- амплитуда которой пропорциональнакарпин луча с азимутом плоскости по- циркулярному дихроизмуьЫ=ии О и 90 ф образуется раз- Для ее компенсации необходимо (приляризации иность фаз А, которая изображается 35 отсутствии четвертьволново плй астинна СП поворотом дуги М на угол а во- . ки 11) повернуть анализатор накруг оси нч (на фиг. 2 не показано) угол Ф (точка А , фиг. 3), где Ф =Для компенсации фазового смещенияиспользован кварцевый компенсатор 10, который между составляющими 40 коэффициенты пропускания для ортоголуча с азимутом О и 90 создает .нальных циркулярно поляризованныхразность фаз (-. Ь ), поэтому дуга Млучей,благодаря компенсатору 10 остаетсяв плоскости ЧЙ.Если исследуемый объект, имеющий 45 Прерыватель 13 луча открываетазимут онтической оси 0 или 90 вход фотоприемника 14 только в тотобладает линейным двупреломлением, момент, когда азимут оптической осиМ ворачивается вокруг осн четвертьволновой пластинки 8 равеноНЧ на угол д, который равен фазово- и 45 , где и = О, 1, . , . акимму смещению между ортогональными О образом, если азимут плоскости посоставляющими луча (дуга М, фиг,2), ляризации анализатора 12 равен 45Поворот дуги И вокруг оси ЙЧ прояв- то при и щ О, 2, 4,устройстволяется появлением нечетной гармоники измеряет по первой гармонике линейна вых оде фотоприемника амплитуда ное двупреломление, по второйкоторой пропорциональна величинелинейный дихроизм, при изи Д . Для ее компенсации необходиустройстзо измеряет по первоймо анализатор 12, устанавливаеьаай гармонике циркулярный дихроизм, поВосле четвертьволновуй пластинки 11,: второй - циркулярное двупреломпение,повернуть на угол " (точка Ъ,иг. 2л 2Отличительной особенностью предЕсли исследуемый объект обладает 60 лагаемого изобретения является ислине ным хрй дихроизмом то дуга окружФт а п и аботеости М преобразуется в дугу эллип- бочей точки модулятора пр рности ис М . П и этом на выходе фотоприем- в компенсационном Рм ежиме. Э 1 о достигн то не за счет системы автоматичесника имеет место сетная гармоника, нутоамплитуда которой пропорцИональна 65 кой под Рй по ст ойки, усложняющей конст1021959 Фи. РФ Фи. 7 ВНИИПИ Заказ 4025/31 Тираж 873 Подпйсно филиал ППП "Патент", г.ужгород,ул.Проектн рукцию устройства, а благодаря мультипликативной модуляции, при которой выходной сигнал пропорционаленвеличине а 1 х(х - э 1 и( а а + а в ойФ)в отличие от аддитивной модуляции,имеющей место в известных устройствах для измерения поляриэационныххарактеристик, при которой выходнойсигнал пропорционален величиневп(х - Ю + ьа + а в 1 п йй) и поэтому разность величин х " Ф, где х - 1 Оизмеряемая и Ц- компенсирующаявеличины, не отличима от нестабильности рабочей точки ьа. При мультипликативиой модуляции в моменткомпенсации равны нулю четные и нечетные гармоники, т.е. имеет местолишь постоянная составляющая, в товремя как при аддитивной компенсации превращаются в нуль либо четные, либо нечетные гармоники.Известный ультраполяриметр обладает пороговой чувствительностью по повороту плоскости поляризации 1 ЮЬад. Однако с помощью такого поляриметра можно измерять иэ четырех поляризационных характеристик лишь одну - поворот плоскости поляризации. Изготовленный экземпляр предлагаемого устройства имеет пороговую чувствительность 5 10 ф рад, однако от известного отличается простотой электронной части (в частности, отсутствием систем автоматической подстройки), а также многоцелевым назначением, т.е. возможностью измерять одновременно все четыре поляризационные характеристики.