Интерференционный способ измерения показателей преломления монокристаллов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 7 О 05 601 й 21/ ЕТ ЗОБ САНИ К АВТ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТПРИ ГКНТ СССР ОУУ СВИДЕТЕЛЬСТ(56) Авторское свидетельство СССР М 1213398, кл, 6 01 М 21/45, 1984.Авторское свидетельство СССР М 1278688; кл, 6 01 й 21/41, 1985, (54) ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРЕЛОМЛЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ(57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в качестве интерференционного способа измерения показателей преломления монокристаллов. Цель изобретения - . повышение производительности и информативности способа, а также упрощение его реализации без снижения точности измерения. Цель обеспечивается за счет исИзобретение относится к контрольноизмерительной технике, в частности к интерференционным способам измерения показателей преломления анизотропных сред, и может быть использовано для измерения главных показателей преломления двупреломляющих монокристаллов,Известен интерферен цион ный способ измерения показателей преломления, заключающийся в освещении исследуемого анизотропного вещества монохроматическим пучком света, формировании и регистрации интерференционной картины в проходящем или (и) отраженном свете с последующим измерением геометрических параметров ее топологии и вычислении по пользования нового принципа формирования интерференционной картины рассеянного кристаллом света, в основу которого положен эффект пространственной модуляции рассеянного света в двупреломляющих монокристаллах, реализуемый, в частности, при облучении образца монокристалла монохроматичсским поляризованным пучком света поочередно вдоль каждой одной из трех главных осей оптической индикатрисы и регистрации интерференционных картин со стороны граней кристалла, ортогональных биссектрисам углов между двумя другими. главными осями оптической индикатрисы, Численные значения показателей преломления вычисляют по результатам измерения периодов интерференционных полос соответствующих интерференционных картин рассеянного кристаллом света из системы трех уравнений, исходя из известной величины длины волны облучающего монокристалл света,ним соответствующего коэффициента преломления вещества.Для измерения значений всех (двух или трех) главных показателей преломления монокристаллов (соответственно, для оптическим одноосных или двуосных кристаллов) необходимо многократное проведение описанных операций измерения по крайней мере не менее чем двух- или трехкратное.Наиболее близким к изобретению является интерференционный способ измерения показателей преломления монокристаллов, заключающийся в том, что образец монокристалла, снабженный плоскбй гранью с предварительно нанесенными на ее поверхность несколькимиучастками двухслойных пленок АдС - Аоразличных толщин, облучают монохроматическим поляризованным пучком света вдольнормалей к указанной грани, фиксируя соответствующие интерференционные картины рассеянного света в области участковпленок АцС - Ад различных толщин, измеряют периоды интерференционных полоссоответствующих интерференционных картин и по результатам этих измерений вычисляют значения показателей преломления,Недостатком этого способа являетсянизкая производительность и сложность реализации, что обусловлено необходимостью использования вспомогательных 15процедур формирования и фиксированиясоответствующих интерференционных картин рассеянного света, реализация которых, равно как и измерение геометрическихпараметров их топологии, требует весьма 20сложного методического, аппаратурного итехнологического обеспечения, Иедостатком является также ограниченная информативность, обусловленная возможностьюизмерения с использованием данного образца монокристалла значения показателяпреломления лишь для одного заданногонаправления.Целью изобретения является позышение производительности и упрощение способа без снижения точности измерения.Поставленная цель достигается тем, чтов известном способе измерения показателей преломления монокристаллов, заключающемся в том, что образец монокристалла 35облучают монохроматическим поляризованным пучком света, регистрируот интерференционную картину рассеянногокристаллом света с последующим измерением периода интерференционных полос и 40по результатам этих измерений вычисляютзначение показателей преломления монокристалла, образец монокристалла поочередно облучают вдоль каждой одной из трехглавных осей оптической индикатрисы, регистрируют интерференционную картинурассеянного кристаллом света со стороныграни, ортогональной биссектрисе угламежду соответствующими двумя другимиглавными осями оптической индикатрисы, а 50по результатам измерения периодов интерференционных полос соответствующих интерференционных картин вычисляютзначения главных показателей преломления монокристалла из системы следующих 55уравнений:(3 зА,пз- п 2=01 ПЗ- П 1= - ,б 2где п 1, п 2, пз - значения главных показателей преломления монокристалла, отвечающие направлениям трех главных осей его оптической индикатрисы;б 1, б 2, бз - периоды интерференционных полос в интерференционных картинах рассеянного света при облучении образца монокристалла вдоль главных осей оптической индикатрисы,м;Л - длина волны света, облучающего образец монокристалла, м.В основу способа положен эффект пространственной модуляции рассеянного света в двупреломляющих кристаллах,Суть этого эффекта состоит в следующем, Поляризованная световая волна. войдя в двупреломляющий кристалл, расщепляется на две парциальные когерентные волны, распространяющиеся с различными скоростями и взаимно ортогональными направлениями колебаний вектора О электрической индукции вдоль тех или иных двух главных осей оптической индикатрисы), Разность фаз этих волн ду) зависит от расстояния 1, пройденного ими в данном напраглении в кристалле, и разности показателей преломления (и- п")2 1 г света в том же направлении: д р = (и - и") 1, где 1, - длина волны света, Каждая из этих парциальных волн испытывает рассеяние на микронеоднородностях, всегда имеющих место в реальном кристалле, причем если характерные размеры этих микронеоднородностей составляют не более 0,1 л. то рассеянный свет оказывается полностью линейно поляризованным с ориентацией плоскости колебаний вектора б перпендикулярно той плоскости, в которой лежат падающий луч и линия наблюдения.Таким образом, для определенных ориентаций линии наблюдения колебания рассеянного света оказываются ортогональными как к линии наблюдения, так и к световомулучу в кристалле, В результате в направлении грани кристалла, ортогональной такой линии наблюдения проходят лишь определенные компоненты двух рассеянных парциальных световых волн, интенсивности которых складываются с учетом их разности фаз д р, В связи стем, что величина д о изменяется вдоль направления распространения света в кристалле, интенсивность рассеянного света, прошедшего в направлении грани кристалла, ортогональной оговоренной линии наблюдения, оказывается пространственно промодули 1702259рованной с периодом Л = в ,вкоторый соответствует изменению величины д у на 2 г, т,е. со стороны указанной грани кристалла наблюдается интерференцион ная картина рассеянного света в виде периодической системы чередующихся светлых и темных полос. Наиболее контрастной данная интерференционная картина оказывается в том случае, когда линия наблюдения 10 параллельна биссектрисе угла между теми двумя осями оптической индикатрисы, которые отвечают соответствующим ортогональным направлениям колебаний вектора О двух парциапьных когерентных световых 15 волн, на которые расщепляется исходная световая волна. вошедшая вдвупреломляющий кристалл. При этом, пространственное распределение нэблюдаемой интерференционной картины рассеянного света вдоль 20 направления распространения луча света в кристалле подчиняется закону соя или22 дузи25Каждому направлению распространения света в кристалле отвечает свое значение (и- п") и соответственно свое значение периода Лпространственной модуляции рассеянного света, а следовательно, и свое 30 значение периода б контрастных интерференционных полос, наблюдаемых со стороны грани кристалла, оротсгональной биссектрисе угла между соответствующими главными осями оптической индиктрисы, 35Именно это и определяет возможность, облучая кристалл, например, в двух различных направлениях (,в той или иной плоскости облучения и измеряя периоды б; и б соответствующих интерференционных кар тин, а также зная длину волны Аобпучающего кристалл света, определить численные значения разности показателей преломления (и- и") и(п - и") в данном направлении в монокристалле, а проведя серию подо бных измерений для различных направлений распространения облучающего пучка света в кристалле, идентифицировать численные значения и самих величин показате 50лей преломления для соответствующихнаправлений в кристалле.Для получения же полной информациио величинах показателей преломления света в любом направлении в кристалле необходимым и достаточным является знание величин главных показателей преломления,отвечающих направлениям главных осей.оптической индикатрисы кристалла. В свою очередь, для измерения значений главных показателей преломления кристалла с использованием описанного эффекта пространственной модуляции рассеянного света и с учетом сказанного о выборе грани наблюдения интерференционной картины рассеянного света, необходимо определить также и такой набор направлений облучения кристалла, при котором измеренные значения (и - и")ЧИ. позволяли бы вычислить главные значения п 1, п 2 и пз.Результаты теоретических и экспериментальных исследований показали, чтодля обеспечения возможности определения полного набора значений главчых показателей поеломпения п 1, п 2, пз с использованием эффекта пространственной модуляции ргссеячного света в двупоеломляющих моно- кристаллах, образец монокристапла следует пс очередно облучать монохроматическим поляризованным пучком света вдоль каждой иэ трех главных осей оптической индикатрисы, регистрируя при этом интерференционную картину рассеянного света со стороны грани кристалла, ортогональной биссетрисе угла между теми двумя главными осями оптической индикатрисы, которые ортогональны главной ее оси, вдоль которой осуществляется облучение кристалла, В этом случае периоды бц, трех поочередно наблюдаемых интерференционных картин определяются следующими соотношениями:Л Лб 1= - ; б 2=пз - п 2 пз п 1Лбз= -п 2 - п 1где п 1, п 2, пз - гпавнь 1 е показатели преломления кристалла. В свою очередь, система этих трех уравнений позволяет найти однозначное решение для значений п 1, п 2, пз.Способ осуществляют следующим образом,Образец монокристаппа поочередно облучают монохроматическим поляризованным пучком света вдоль каждой одной из трех главных осей оптической индикатрисы, При этом каждый раэ регистрируют интерференционную картину рассеянного коистаппом света со стороны грани кристалла, ортогональной биссектрисе угла между двумя другими главными осями оптической индикатрисы. Измеряют величины периодов б 1, б 2, бз интерференционных полос соответствуюших интерференционных картин в каждом цикле облучения и по результатам этих измерений, зная величину длины волны Л облучающего пучка света, вычисляют значения главных показателей преломления п 1, п 2, пз монокристалла из системы следующих уравнений:(здесь индексы 1, 2, 3 соответствуют номерам главных осей оптической индикатрисымонокристалла).Следует отметить, что предлагаемыйспособ в максимальной степени адаптирован к оптически двуосным кристаллам, длякоторых оптическая индикатриса являетсятрехосным эллипсоидом. Действительно, вслучае оптически одноосных кристаллов, укоторых, как известно, оптическая индика 1 риса является эллипсоидом вращения, ачисленно различными являются лишь дваглавных показателя преломления пз и п 1 =п 2, непосредственное применение предл,гаемого способа обеспечивает возможностьизмерения лишь величины разности двухглавных показателей преломления пз и п 1 =п 2. Причем для этого оказывается достагочным проведение лишь одной операции измерения периода Ф -.= г 12 интерференционнойкартины при облучении кристалла вдоль малой главной оси оптической индикатрисы.При необходимости же численной оценкисамих величин пз и п 1 достаточным оказывается проведение еще лишь одной о,ерации1измерения б 1= г 12 при облучении кристаллав направлении, отличающемся от малойглавной оси оптической индикатрисы на некоторый угол а, Можно показать, что при.3,=3=%,6,5 й 1 - , - 1-п,1где 3 - угол между малой главной осью оптической индикатрисы и направлением распространения светового пучка в кристалле,связанный с углом а входа пучка света вкристалл уравнением Френеля.Этого уравнения совместнополученн ы м ранее с 12 - достаточно дляпз пидентификации численных значений ггз и п 1оптически одноосного кристалла.Таким образом, предлагаемый способпригоден для монокристаллов любых типов,тем не менее в плане повышения информативности и производительности измерений,а также упрощения реализации, он наиболее адаптирован к оптически двуосным монокристаллам.В примере практической реаллэацииспособа измерялись величины главных показателей преломления монокристалловмолибдата гадолиния Оо 2(МоО 4)з- ( МО, относящегося к точечной симметрии глщ 2 иявляющегося оптически двуосным,Измерения п 1, п 2, пз были выполненывсего на одном образце монокристаллаОМО, снабженного двумя системами трехортогональных граней (100), (010). (001) и5 (011), (101), (110),первая иэ которых использовалась для поочередного облучения кристалла вдоль нормалей к этим граняммонохроматическим поляризованным пучком света (от Не - йе лазера с длиной волны10 Л= 0,6328 мкм), а вторая для поочереднойрегистрации соответствующих интерференционных картин рассеянного на микронеоднородностях монокристалла света,Измерение периодов соответствующих ин 15 терференционных картин, регистрируемыхсо стороны граней (011), (101) и (110), осуществлялось с помощью электронного блока,содержашего фоточувствительную матрицуПЗС-элементов, и проводилось путем изме 20 рения количества интерференционных полос на фиксированной протяженностиучастка образца монокристалла с помощьюсканирующего ПЗС-фотоприемника, Результаты измерений дали следующие эначе 25 ния периодов б, 02, бз: б 1=(12,2 ". 0,1) мкм;о 212,1: 0,1) мкм: дз(15282) мкм. Вычисленные по измеренным значениям б 1, б 2,бз и известному эначенлю Л = 0,6328 мкмвеличины главных пс азателей преломле 30 ния п 1, п 2. пз монокри талла ОМО составили, пз =: 1,900; (п 2 - п 1) = 4 10 и п 2= и = 1,848, Найденные значения п 1, п 2, пзнаходятся в полном соответствии с известными справочными данными для этого моч.нокристалла,Формула изобретенияИнтерференционный способ измерения показателей преломления монокристаллов, заключающийся в том, что образец40 монокристалла облучают монохроматическим поляризованным пучком света; регистрируют интерференционную картинурассеянного образцом света с последующим измерением периода интерференцион 45 ных полос и по результатам этих измеренийвычисляют значения показателей преломления монокристалла, с т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения производительности и упрощения способа беэ снижения50 точности измерения, образец монокристаллапоочередно облучают вдоль каждой из трех.лавных осей оптической индикатрисы. регистрируют интерференционную картину рассеянного образцом света со стороны грани,55 .,ртогональной биссектрисе угла между соответствующими двумя другими главными осями оптической индикатрисы, а по результатамизмерения периодов интерференционныхволос соответствующих интерференцион1702259 Составитель Ю,ГриневаТехред М,Моргентал Корректор О,Кундрик Редактор Ю.Середа Заказ 4538 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж,.Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 ных картин вычисляют значения главных показателей преломления монокристалла из системы следующих уравнений:п 2 - п 1= А/дз;пз - п 2= Л/б 1;пз - п 1= Л/б 2сде п 1, п 2, пз - значения главных показателей преломления монокристалла, отвечающие направлениям трех главных осей его оптической индикатрисы;б 1, б 2, бз - периоды интерференционных полос в интерференционных картинах 5 рассеянного образцом света и ри облученииобразца монокристалла вдоль главных осей оптической индикатрисы;А - длина волны света, облучающегообразец монокристалла.