Способ измерения оптических параметров фазовых пластинок и устройство для его осуществления

(191 ( 5 27 451О Н 21/00 АНИЕ ИЗОБРЕТЕНСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(56) 1; Горщков М,М. Элипсометрня,М., "Сов, радио", 974, с. 30.2. Бущинскнй А,Н., Лейкин М.В.Поляриметрические приборы для исследования молекулярного строениявеществ, ОМП, У 11, 1971, с. 55-62(прототип).3. Авторское свидетельство СССР(54) .СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОТИЧЕСКИХПАРАМЕТРОВ ФАЗОВЫХ ЛАСТИНОК И УСТ;РОНСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) 1. Способ измерения оптических параметров фазовых пластинок,состоящий в том, что через исследуемый объект пропускают модулированный по состоянию поляризации луч, измеряют азимуты анализатора, при которых амплитуды соответственно четных и нечетных гармоник равны нулю, и по измеренным величинам азимутов анализатора определяют параметры фазовых пластинок, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью измерения параметров произвольным образом ориентированных фазовых пластинок, через исследуемый объект дополнительно пропускают второй луч, модулированный по состоянию поляризации, направление азимутов осей эллипса которого повернуто на 45 относительно азимуотов осей эллипса поляризации первого луча, причем после прохождения лучей через исследуемый объект создают в обоих лучах различные разности фаз между линейно поляриэованными ортогональными составляющими,оотличающиеся на 901153275 2, Устройство для измерения оптических параметров фазовых пластинок, содержащее источник излучения и расположенные по ходу излучения поляризатор, модулятор эллиптичлости, два светоделителя для полу" чения четырех расщепленных параллельных лучей и расположенное между светоделителями основание для крепления исследуемых фазовых пластин, четвертьволновую фаэовую пластинку и Фотоприемник, на выходе которого подключен узкополосный усилитель, настроенный на нечетную гармонику модуляции, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью измерения параметров произвольным Образом ориентированных разовых пластинок, в устройство введены циркулярная Фазовая пластина с вращениемо плоскости поляризации на угол 45 анализатор азимута, диафрагма с механизмом перемещения ее в перпендикулярной направлению излучения плоскости и узкополосный усилитель четных гармоник, при этом циркулярная фазовая пластина расположена в одном из расщепленных лучей между светоделителями перед основанием для крепления исследуемых фазовых пластин, а четвертьволновая Фазовая пластина, анализатор азимута и диафрагма размещены последовательно по ходу излучения между вторым светоделителем и приемником излучения таким образом, что анализатор и диафрагма перекрывают все четыре расщепленных луча, четвертьволиовая фазовая пластина перекрывает два отраженных Изобретение относится к оптике и измерительной технике и предназ. начено для исследования анизотропных сред,Известен способ измерения параметров фазовых пластинок (ФП 1, заключающийся в пропускании через исследуемый объект модулированного по состоянию поляризации луча, определения путем ".поворота анализатора угловых величин, при которых вторым светоделителем луча, и ее осьпараллельна оптической оси модуля 1 тора, а диафрагма в любом из четырех фиксированных положений пропускает лишь один расщепленный луч, причем узкополосный усилитель четныхгармоник соединен с выходом Фотоприемника. 3. Устройство по и. 2, о т л ич а ю щ е е с я тем,что каждьй издвух светоделителей изготовлен изтрех светоделительных кубиков и двухпризм полного внутреннего отражения, причем к обеим выходным гранямпервого светоделительного кубикаоптически присоединены входные грани второго и третьего светоделительных кубиков, плоскосТи падения всехтрех светоделительных кубиков взаимно перпендикулярны, а отношениекоэфФициентов отражения к коэффициентам пропускания светоделительныхкубиков составляет 1:3, выходнаягрань второго светоделительного кубика, ортогональная плоскости падения иа первый кубик, оптически соединена с входной гранью первой гризмы полного внутреннего отражения,причем плоскости падения первойпризмы и второго кубика взаимно параллельны, а их отражающие плоскости взаимно перпендикулярны,.выходнаягрань первой призмы полного внутреннего отражения оптически соединена с входной гранью второй призмыполного внутреннего отражения, причем их плоскости падения взаимноперпендикулярны,2амплитуды гармоник равны нулю, иопределения по углу поворота анализатора параметров Фазовых пластинок. Под Фазовой пластинкой подразу мевают любой оптически анизотропный плоскопараллельный объект И .Однако этот способ не применим,если измеряемый объект обладаетодновременно линейным и циркулярным 10 двулучепреломлением и при этом необходимо заранее знать направлениеоптической осн исследуемого объекта.3 11Наиболее близким к предлагаемомупо технической сущности являетсяспособ измерения оптических нараметров фазовых пластинок, состоящий втом, что сквозь исследуемый объектпропускают модулированный по состоянию поляризации луч и измеряютазимуты анализатора, при которыхамплитуды соответственно четных инечетных гармоник равны нулю и поизмеренным величинам азимутов анализатора определяют параметры фазовых пластинок 2 .Способ осуществляют устройствомполяриэационного интерферометра,содержащим источник излучения и расположенные вдоль оси прибора поляризатор, модулятор эллиптичности,два светоделителя для получения четырех параллельных осей, четвертьволновую пластинку, фотоприемник,на выходе которого подключен узкополосный усилитель, настроенныйна нечетную гармонику модуляции 3 .Недостатком известных способа иустройства является то, что необходимо заранее знать направлениеоптической оси исследуемого объекта, причем точность измерений зависит от точности ориентации осей,а направление оптической оси часто бывает неизвестно и не всегдаего возможно определить, причем вкристаллах низших сигоний направление оптических осей зависит отчастоты излучения,Цель изобретения - измерение оптических параметров произвольным образом ориентированных фазовых пластинок,Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения оптических параметров фазовых пластинок, состоящему в том, что через исследуемый объект пропускают модулированный по состоянию поляризации луч, измеряют азимуты анализатора, при которых амплитуды соответственно четных и нечетных гармоник равны нулю, и по измеренным величинам азимутов анализатора определяют параметры фазовых пластинок, через исследуемый объект дополнительно пропускают второй луч, модулированный по состоянию поляризации, направление азимутов осей эллипса которого повернуто на 45 относительно азимутов осей эллипса поля 53275 4 1 О15 20 25 3035 40 45 50 55 ризации первого луча, причем после прохождения лучей чеРез исследуемый объект создают в,обоих лучах раэлич. ные разности фаэ между линейно поляризованными .ортогональными составляющими, отличающиеся на 90оСпособ осуществляют устройством для измерения оптических параметров фазовых пластинок, содержащем источник излучения и расположенные походу излучения ноляризатор,модулятор эллиптичности, два светоделителя для получения четырех расщепленных параллельных лучей и расположенное между светоделителями основание для крепления исследуемых фазовых пластин, четвертьволновую фаэовую пластинку и фотоприемник, на выходе которого подключен узкополосный усилитель, настроенный на нечетную гармонику модуляции. В устройство введены циркулярная фазовая пластина с вращением плоскости поляризаоции на угол 45 , анализатор азимута, диафрагма с механизмом перемещения ее в перпендикулярной направлению излучения плоскости и узкопокосный усилитель четных гармоник, при этом циркулярная фазовая пластина расположена в одном иэ расщепленных лучей между светоделителями передоснованием для крепления исследуемых фазовых пластин, а четвертьволновая фазовая пластина, анализатор азимута и диафрагма размещены последовательно по ходу излучения между вторим .светоделителем и приемником излучения таким образом, что анализатор и диаФрагма перекрывают все четыре расщепленных луча, четверть- волновая фаэовая пластина перекрывает два отраженных вторым светоделителем луча, и ее ось параллельна оптической оси модулятора, а диафрагма в любом из четырех фиксированных положений пропускает лишь один расщепленный луч, причем узкополосный усилитель четных гармоник соединен с выходом фотоприемника.1Кроме того, каждый нз двух светоделителей изготовлен из трех светоделительных кубиков и двух призм полного внутреннего отражения, нричем к обеим выходным граням светоделительного кубика оптически присоединены входные грани второго и третьего светоделнтельных кубиков, плоскости падения всех трех светоделительных кубиков взаимно пер 115327535 40 45 50 55 пендикулярны, а отношение коэффициентов отражения к коэффициентам пропускания светоделительных кубиковсоставляет 1:3, выходная грань второго светоделительного кубика, ортогональная плоскости падения напервый кубик, оптически соединенас входной гранью первой призмы полного внутреннего отражения, причемплоскости падения первой призмы ивторого кубика взаимно параллельны,а их отражающиеплоскости взаимноперпендикулярны, выходная граньпервой призмы полного внутреннего отражения оптически соединенас входной гранью второй призмы полного внутреннего отражения, причемих плоскости падения взаимно перпендикулярны,На Фиг.изображены координатыэллиптической Фазовой пластинки;на Фиг. 2 - сфера Пуанкаре (СП), наФиг. 3 - устройство, реализующеепредлагаемый способ, на фиг. 4светоделитель. УстройствоФиг, 3) содержит источник 1 излучения, поляризатор 2, модулятор 3 с оптической осью,оповернутой на угол 45 относительно плоскости пропускания поляризатора, светоделители 4 и 5, циркулярную Фазовую пластинку 6, вращающую.плоскость поляризации на угол 45 , четвертьволновую Фазовуюопластинку 7 с оптической осью, параллельной оптической оси модулятора, анализатор 8, диафрагму 9 с механизмом перемещения в плоскости перпендикулярной четырем осям прибора, образованных светоделителями, которая в любом иэ 4-х Фиксированных положений открывает лишь одну ось, фотоприемник 1 О, узкополосные усилители 11 и 12, выполняющие роль нуль-индикаторов, которые настроены соответственно на первую и вторую гармоники, место расположения исследуемого ббьекта 13.Светоделитель, в котором исключено искажение состояния поляризации (Фиг. 4) содержит светоделительные кубики 14-6, и призмы 17 и 18 полного внутреннего отражения, Грани кубиков и призм, связанные лучом, соединены посредством оптического контакта не показано).Для адекватного представления произвольным образом ориентированной эллиптической ФП необходимо знатьсобственные векторы наибольшей инаименьшей скоростей и разностьФаз между ними. Собственные векторыявляются характеристикой материала, из которого изготовлена ФП,а также ее ориентации и эадаются векторами Джонса или Стокса или координатами на СП. Разность фаз смежду собственными векторами - величина, пропорциональная толщинеФП, Оба собственных вектора ортогональны, поэтому на СП изображаются двумя противоположными точками диаметра Р и 0; в связи с чемдостаточно ограничиться координатами лишь одного вектора, напримернаибольшей скорости Р. Координатыэтого вектора на СП задаются в системе К. и Дилии 8,где М - азимут большой оси эллипса;эллиптичность;А- отношение амплитуд -х6 - разность фаэ между этимиамплитудами.Таким образом, эллиптическая ФПхарактеризуется следующими тремя величинами: м, /1 иили , 3 и с., Величины с и / (илии о ) определяютось вращения, вокруг которой необлходимо повернуть СП на угол ,чтобыотобразить действие данной ФП. Если между азимутами поляризатора и модулятора эллиптичности (например, электрооптического кристалла) угол 45 , то модуляция изображается дугой большой окружности, Обозначим: Ч - вершина модуляции; Р - полюс модуляции," плоскости КЧ 1., ЧРН и ЬРК - соответственно плоскости модуляции, симметрии и асимметрии,Известно, что, если анализатор описывается точкой на плоскости симметрии, то амплитуды нечетных гармоник равны нулю Щ 0) а если на плоскости симметрии, то равны нулю амплитуды. четных гармоник (0 0). Если изображение анализатора на СП совпадает с полюсом, весь переменный сигнал равен нулю (11 Б 0), Точки (фиг, 2),обозначенные штрихамн, образуются из соответствующих точек беэ штрихов поворотом сферы вокруг диаметра 1 Ц 1 на угол ь . Этот поворот описывает действие ФП. Поэтому после прохождения луча с модулирован=45-о/(9) 7ной эллиптичностью, который изображен на СП дугой вокруг Ч, сквозь произвольную ц/П, гредставленную точкой Р, изображением модулированного луча станет дуга вокруг Ч/5Процесс измерения состоит в следующем.Вращая анализатор азимута, который установлен перед фотопр/емником,(гпри этом П =О, так как Б лежит в плоскости симметрии. Поэтому первая задача заключается в том, чтобы найти исходную точку Б, которая как и Б лежит на экваторе СП. В середине 15/дуги ББ лежит точка Р, которая определяет искомую координату Мр.Для определения точки Б необхо/ /(димо найти длину дуги Ч Б=ЧБ. Для этого надо определить точку С (т.е, щ азимут анализатора Ы , где П =О. Затем нужно повернугь азимут осей эллипса входящего модулированного излучения на 45 (например, введениоем оптически активного элемента), 25 получаем модуляцию, изображенную дугой на окружности ЕРК вокруг точки Р, которая после прохождения луча сквозь ФП изображается дугой вокруг точки Ри вновь определяем азимутlанализатора, при котором В=О т.е. точк Т . Учитывая, что дуги Ч Б + +Б Р =ЧБ+БР=90 , находим длину дугио(Ч Б из прямоугольных треугольников Ч Б Т и Р Б 6. Обозначаем Т Б = =2 с, Б С =2 с Ч Б =2 Ьч; Б Р =2 Ь, 35Из сферической тригонометрии известно2 Ь =2 с сов 8 (1)12 Ь = Я 2 с со 5 5 (2)40Так как 2 Ь +2 Ъ ЧР/ 90 О, то разч/ делив (1) на (2), получаем2 с21) а/с 1 ф( 3 )1 ф ч С 2 45Значения с и с находим из измеренных ввличин с=/т, в , Мв, с М-Ыб 8 Обозначим Е 4-2 Г, Ч У=21 11 Р =21,Ч У =28, Р Е =РЕ=гд Имеем 1(21;:1 ф 21, сов)/)/, (5) Я 21 сова (б) Так как 2, +2:/Р/:9 О 6Из сферической тригонометрииизвестно: Значения Г и Г находим из измеренных величин Г =)/,-М Г1 ч )/)(ФЧОпределяем координату о р .у /,Гр =ГЕ - = РЕ - (ГВ-Х Р-ГЕ =Р о 2 2 Для измерениями(,м /,( иь/( необходимо повернуть сферу на 90 вокруг оси РО так, чтобы большая. окружность ЬРК, вдоль которой измеряют координату 3, была отождествлена с экватором. Для этого надооввести разность фаз 90 между ортогональными линейно поляризованными составляющими луча после прохождения его сквозь исследуемый объект, В данном примере вводим перед анализатором четвертьволновую плас.тинку с оптической осью в точке Р, Величины Фи 6 Р позволяют определить и другие координаты 1"/)ир , используя известные соотношения сферической тригонометрии (б). Анализ полученных результатов на СП позволяет однозначно определить направление вращения. Уголчвращения /, находим из прямоугольного треугольника РРБ:"90 Фо/ -Ъ, (4)Аналогично из прямоугольных треугольников Ч 0 1 и Р Е У определя( /ем дугу Р Е РЕ, чтобы найти точкуР и координату=4 РОРу, В этомсостоит второй этап задачи,с 2 ас(, (./ с 1 /(Р ч)со 6 2 РДля наглядности приводим последовательность операций, совокупность которых составляет предлагаемый способ в виде таблицы.На пути луча последовательно устанавливают четыре комбинации оптических элементов, которые приведены