Способ измерения показателей преломления и поглощения сред

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советск и кСоциалистичесиикРеспублик(5)М. Кл,С 01 й 21/43 Гесударстеааай кеФантет СССР нв делам наабретеннд н еткрытий(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРЕЛОМЛЕНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ СРЕД Изобретение относится к техни- ческой физике и предназначено для измерения показателей преломления и и поглощения 1 исследуемых поглощающих излучение сред. Оно может быть использовано в химической, пищевой, электронной и оптической промышленности, а также в других отраслях народного хозяйства, где требуется измерение оптических постоянных поглощао ющих сред.Известен способ измерения показателей преломления и поглощения путем анализа изменения состояния поляризации светового пучка при внеа 15нем отражении. Известный способ предусматривает измерение азимута преимущественной поляризации ф и разности фаз Ь между Р и Б компонентами отраженногого поляризованного света при определенном фиксир.ванном угле паде ияпричем, свет направлен со стороны плотной непоглощающей среды с показателем преломления и на поверхность более плотной среды с показателями преломления и и поглощения а затем по измеренным значениям и Ь, о- с помощью уравнения эллипсометрии находят показатели преломления я и й исследуемой среды Г 1.Однако известный способ, кроме сложной аппаратуры, требует выполнения сложных вычислений, не обеспечивает высокой точности и малопригоден для исследований жидкостей или газов,Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ измерения показателей прелом. ления и поглощения сред, основанный на контроле относительных измерений характеристик поляризации света при внутреннем отражении, заключающийся в том, что одновременно гармонически модулируют в противофазе азимут3 1002преимущественной поляризации и разность фаз между Р и 5 компонентамисвета, регистрируют отраженный светфотоприемником, изменяют угол падения света до значения, )три которомв спектре сигнала Фотоприемника отсутствует первая гармоника частотымодуляции,и, считая найденный уголпадения критическим, вычисляют показатель преломления 21.1Недостатком известного способаявляется невозможность определенияс его помощью показателей поглощения сред при больших величинах поглощения. 1%Целью изобретения является повышение точности одновременного измеренияпоказателей преломления и поглощения.Укаэанная цель достигается тем,что согласно способу измерения показателей преломления и поглощениясред, основанному на контроле относительных изменений характеристикполяризации света при внутреннемотражении, заключающемуся в том,что одновременно гармонически модулируЬт в противофазе азимут преимущест"венной поляризации и разность фаэмежду Р и 5 компонентами света, регистрируют отраженный свет фотопри"емников, изменяют угол падения света до значения, при котором в спектре сигнала фотоприемника отсутствует первая гармоника частоты модуляции,и, считая найденный угол критическим, вычисляют показатель преломления, свет при найденном угле падения модулируют только по азимуту преимущественной поляризации или только по разности Фаз между Р и 5 компо".юнентами,определяют абсолютное значениеазимута преимущественной поляризацииили разности фаэ между Р и 5 компонен-тами с помощью компенсатора и по найденным значениям показателя преломления и азимута преимущественной поляри 43зации или показателя преломления иразности фаэ между Р и 5 компонентами вычисляют коэффициент поглощения.,На фиг, 1 показаны реально измеряемые зависимости коэффициента отражения В азимута преимущественной поляризации ф и разности фаз между Р и 5 компонентами Д от угла падения О для случаев нисгожно малого кривые И ,1-3) и значительного (кривые 4-6) поглощения исследуемой среды; на ,фиг, 2 - структурная схема одного из 919 4вариантов устройства, с.помощью которого можно осуществить способ;на фиг. 3 - семейство кривых, связывающих величину поглощения М и абсолютные значения поляризационныххарактеристик 2 9 и Ь .Реализация способа может быть осуществлена следующим образом.Световой поток от источника света О 7 (Фиг. 2) в виде параллельного монохроматического пучка, сформированно -го коллиматором 8 и фильтром 9, проходит поляризатор 1 О, магнито-оптический модулятор 11 четвертьволновую пластинку 12, отрицательную линзу 13 и под углом оС направляется наплоскость соприкосновения стеклянной полусферы 14 с исследуемой средой15, Отраженный световой поток проходит второй магнитооптический модулятор 16, магнитооптический компенсатор 17, анализатор 18 и воспринимается Фотоприемником 19. Поляризатор1 О и анализатор 18 укреплены неподвижно так, что их азимуты пропускания постоянно составляют углы соответственно +45 и -45) с плоскостьюпадения и отражения света, а четвертьволновая пластинка также укреплена неподвижно и ее "быстрая" осьпостоянно совпадает с плоскостью.пропускания поляризатора 1 О. Магнито 1оптические модуляторы 11 и 16 идентичны и питаются с одного источникапеременного тока частоты ы)(например И=50 Гц), но в противофазе.Магнитооптический компенсатор 17с помощью выключателя 20 может под.ключаться к регулируемому генератору постоянного тока 21, который контролируется резистором 22 и цИфровымвольтметром 23. Фотоприемник 19 включен в цепь следящей системы с избирательным усилителем 24, настроеннымна частоту (Ю, и с реверсивным дви-.гателем 25.При отключенной магнитооптическом компенсаторе 17 и включенныхмагнитооптических модуляторах 12 и 16,Фотоприемник 19 воспринимает свет,изменяющийся по законуо 4,ГЭ1-с 05 И с 056+Ь (,ми И-чиьсовь 9)ввв 11, О)где 1 - интенсивность падающегоона поляризатор 10 света;Й - коэффициент отражения светапри угле паденияс .10029 При Ос. =(фиг. 1) абсолютные значения цспараметров Ф д удовлетворя(У ( с (ют условию 2 Ч("Ь, но рФ 0, ЬФ О, и величины 9 и 6 строго зависят от величины поглощения исследуемой срелы (фиг. 3).Затем при угле паденив света о на короткое время отключают двигатель 25,5Из выражения (1) и кривых нафиг, 1 видна. связь между фазой переменной составляющей сигнала частотыВ фотоприемника 19 и направлениемизменения угла падения света ас относительно точки пересечения или точки встречи кривых зависимости 2 Ч( иЬ ото,(кривые 2 и 3 или 5 и Ь нафиг. 1), соответствующей углу падения о, и который при к = 0 равен , 1 Оокр Так, если оГо, то Ь2 У и вс"сктре сигнала фотоприемника 19будет присутствовать первая гармоника частоты Ю , фаза которой равнанулю. Бслио(М,(, то 612 Чс и в спектре сйгнала фотоприемника будет такжеприсутствовать первая гармоника частоты(Ю, но фаза ее. будет отличатьсяна 180 с( В первом случае двигатель 25будет вращаться в одну сторону (соответствующую увеличениюс ), а во втором случае - в противоположнуюсторону (соответствующую уменьшениюс) .В основу предложенного способа по ложен факт взаимной компенсации эффектов изменения поляризационных характеристик 1 и Ь, вызванных увеличением поглощения 1 исследуемой среды в районе критического угла паде- зония. Исследования показали, что прилюбых значениях поглощения исследуемых жидкостей точка пересечения кривых зависимостей 29 и й.от о (фиг.1)соответствует такому углу паденияЫ 1 35при котором был бы отмечен критический угол Скр, если бы эта же среда неимела поглощения.Соответственно при любом значении показателя поглощения исследуемой среды снацала производят изменение угла падения света в направлении,соответствующем фазе переменной составляющей частоты Ис сигнала фотоприемника 19 с помощью следящей системы домомента исчезновения этой переменнойсоставляющей в спектре фотоприемника,найденный угол падения о( считают критическим и вычисляют показатель преломления. 19 ботключают и магнитооптический модулятор 11, с помощью выключателя 20 подключают магнитооптический компенсатор к регулируемому генератору постоянного тока 21, изменяют величину то"ка через магнитооптический компенса-тор 17 до момента повторного исчезновения первой гармоники частоты Ю вспектре сигнала фотоприемника 19, который воспринимает свет, интенсивностькоторого изменяется по закону3 з,1-б 052.9 С 056+1 лУ 1 и 2 Ч(-Ч(к)"4.чи Ж 1 Ы 2где ) - величина изменения азимутапреимущественной поляризациикомпенсатором 17.По показаниям цифрового вольтметра23 определяют величину тока, которыйпрямо пропорционален измеренной величине К =с( и с помощью семейства кривых (фиг, 3) по кривой, связывающейвеличину поглощения и поляризационнуюхарактеристику (С(с) для измеренногоранее показателя преломления и определяют показатель поглощения 1 среды,Аналогично Ч( можно осуществлять(определение величины Ь,На этом цикл измерений и и Е заканчивается. Отключение двигателя 25и одного из модуляторов производяттолько на короткое время измерениятока через магнитооптический компенсатор 17, соответствующий моменту компенсации Ч . С помощью запоминающегоустройства цифрового вольтметра 23 информация о токе компенсации может сохраняться по желанию оператора скольугодно долго. Все остальное время следящая система устройства замкнута,магнитооптический компенсатор 17 отключен и постоянно производится отслеживание за возможными изменениямипоказателя преломления и среды. Та,кая последовательность действий оправдана тем, что на практике не быва- .ет изменений 1 с большей скоростью,чем изменения и .Таким образом, предложенный способпо сравнению с известным позволяетповысить точность .одновременногоизмерения показателей преломления ипогло.:,ения.формула изобретенияСпособ измерения показателей пре-ломления и поглощения сред, осно 7 10029 ванный на контроле относительных изменений характеристик поляризации света при внутреннем отражении, заключающийся в том, что одновременно гармонически модулируют в противофазе азимут преимущественной поляризации и разность фаз между Р и 5 компонентами света регистрируют отраженный свет фотоприемником,изменяют угол падения света до значения, при котором в спектре сигна" лафотоприемника отсутствует первая гармоника частоты модуляции и, считая найденный угол падения критическим, вычисляют показатель преломления, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения точнос ти одновременного измерения показателей преломления и поглощения, свет при найденном угле падения модулируют только по азимуту преимущест 19 8венной поляэирации или только поразности фаз между Р и 5 компонентами, определяют абсолютное значениеазимута преимущественной поляризацииили разности фаз, между Р и 5 компонентами с помощью компенсатора ипо найденным значениям показателяпреломления и азимута преимущественной поляризации или показателя преломления и разности фаз между Р и5 компонентами вычисляют коэффициент поглощения,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Ржанов А. В., Свиташев К.КСемоненко А. И., Семоненко Л. В.,Соколов В. К. "Основы эллипсометрии"Новосибирск, "Наука", 1979, с. 246.2. Авторское свидетельство СССРт 684409, кл. С 01 И 21/43, 19791002919 РЮ Составитель С, БочинскийРедактор Н,Лазаренко Техред И.Гергель Корректор Н. Королж Зак Подписнота СССР комит й и о ытии аб., д. ск иал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектна 1537/2 ВНИИПИ П 113035суд ела оск Тир рственного изобретен а, Ж, Р