Рефрактометр поляризационный

(и оц 4(5 й) С 01 И 21/41 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБ ЕТЕНИй И ОТНРЦТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯН АатОраНОМУ СВИдйтЕЛЬСтВУ(56) 1. Молочников Б.И. и др.Рефрактометры для определения оптических постоянных сред. Обзорная информация ЦНИИТЭИприборостроения, ТС, вып.3, 1979, с. 24.2, Ыпеваа Е.С., Ре 1 а С,А. апд МЫпипв 1 в 1.А. А пееп ацйопай.с е 11 рвоаееег, 56, 1976, р.189-195.(54)(57) РЕФРАКТОМЕТР ПОЛЯРИЗАЦИОННЦЙ, содержащий установленные последовательно неподвижное плечо, в котором установлен источник света ирасположенные по ходу светового пучка формирователь коллимированногопучка света, разделитель пучковсвета, оптически связанный с фотоприемником, выход которого соединенс избирательным усилителем, ноляризационный Фильтр, механическисвязанный с двигателем, магнитооптический модулятор, подключенный ксети переменного тока частоты сдпредметный столик с углоиэмерительным устройством, которое через привод соединено с реверсивным двигателем, центры вращения которыхсовпадают с плоскостью раздела известной и исследуемой сред объекта,и подвижное плечо, в котором установлено зеркало, о т л и ч а ю -щ и й с я тем, что, с целью повышения точности и упрощения измерений, в устройство дополнительно введены электрооптический модуляторразности Фаз, подключенный к источнику переменного напряжения частоты Й =м 3 и установленный между магнитооптическим модулятором и предметным столиком так, что его наведенные оси совпадают соответственнос плоскостями падения и раздела сред,и дополнительный избирательный усилитель, соединенный с фотоприемникоми настроенный на частоту,й , к выхо. -ду которого подключен реверсивныйдвигатель привода углоизмерительного устройства.5921 гОтоот+К, тие И и Х - отиосительные показатели преломленияи поглощения. При двухкратном отражении поляризованного света отграницы раздела известной и нсслелдуемой сред под углами падения Ы.=ац,независимо от относительных показателей преломления 1 и поглощениями.происходит изменение разности фазО10 на величину Й = 180 , а изменениеазимута восстановленной линейнойполяризации зависит от величины М.ят.е, при,с = а(,и двухкратном отражении граница раздела сред работает 15 как ротатор и Фазовая полволноваяпластинка, преобразующая линейнуюполяризацию в ортогональную ей.3Кроме того, принцип работы известного устройства основан такжена эффекте достижения наименьшегозначения Р-компоненты отраженногополяризационного света при углеЛПаДЕНИЯ Л = Ся . 1 115Изобретение относится к оптикомеханическим приборам и может быть использовано для измерений показателей преломления и поглощения полупроводников, металлов и других поглощающих свет сред, которые нельзя исследовать с помощью известных рефрактометров.Известен поляризационный рефрактометр, содержащий источник излучения, поляризатор, модулятор, измерительный элемент полного внутренне" го отражений и анализатор, связанный обратной связью с Фотоэлектрической частью прибора. Поворот анализатора характеризует величину разности фаз, а следовательно, и измеряемое значение показателя преломления13.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является рефрактометр поляризацио;ный содержащий установленные последовательно неподвижное плечо, в котором установлен источник света и расположенные по ходу светового пучка Формирователь коллимированного пучка света, разделитель пучков света, оптически связанный с Фотоприемником, выход которого соединен с избирательным усилителем, поляризационный Фильтр, механически связанный с двигателем, магнитооптический модулятор, подключенный к сети .переменного токасД, предметный столйк с углоизмерительным устройством, которое через привод соединено с реверсивным двигателем, центры вращеНия которых совпадают с плоскостью раздела известной и исследуемой сред объекта, и подвижное плечо, в котором установлено зеркало, причем так, что его отражающая поверхность перпендикулярна направлению распространения отраженного пучка.Диагональным элементом параллелограмма служит микрометренный винт с гайкой, которая с помощью шарниров соединена с плечами параллелограмма. Микрометренный винт соединен с двигателем постоянного тока, который управляется усилителем мощности, подключенным к устройству дифференцирования сигнала фотоприемника.Принцип работы известного устройства основан на эффектах измерения азимута восстановленной линейной поляризации Ч и разности Фаз 8 вя районе главного угла падения А,я = 25 30 35 40 45 50 55 Для измерений показателей преломления и поглощения-сред с помощью известного устройства требуется первоначально установить поляриэационный Фильтр так, чтобы его плоскость пропускания совпадала с плоскостью падения света. Затем устанавливают угол ладения заведомо меньшим ожидаемого значения ( и запускают двигатель, связанный с параллелограммом. В процессе плав" ного изменения угла падения о производят дифференцирование электрического сигнала фотоприемника. При достижении минимального значения дважды отраженного от границы раздела сред света на выходе дифференцирующего устройства будет нулевое значение сигнала и двигатель привода параллелограмма останавливается. Значение угла падения сС , который принимают эа главный угол ц,я, счия тывают с углоизмерительного устройства, Затем запускают двигатель, связанный с приводом поляриэационного Фильтра, и одновременно подключают магнитооптический модулятор к генератору переменного тока, В момент отсутствия в спектре сигнала Фотоприемника первой гармоники частоты возбуждения модулятора двигатель останавливается и по угломерному устройству привода поляризационного Фильтра определяют значе55921 з11 ни азимута восстановленной линейной поляризации.По измеренным таким образомлзначениям с( и Ч с помощью известных формул Аргера вычисляют искомые вещественные составляющие д и Я комплексного показателя преломления й: иЖ Р 1Недостатки этого устройства - низкая точность и сложная методика измерений, требующая значительной затраты времени. Причиной тому является низкая точность определения главного угла падения по минимальному значению интенсивности р-компоненты отраженного света. Цель изобретения - повыщение точности и упрощение измерений показателей преломления и поглощения поглощающих сред. Цель достигается тем, что в реФрактометр поляризационный, содержащий установленные последовательно неподвижное плечо, в котором установлен источник света и расположенные по ходу светового пучка формирователь коллимированного монохроматического пучка света, разделитель пучков света, оптически связанный с Фотоприемником, выход которого соединен с измерительным усилителем, поляризационный фильтр, механически связанный с двигателем, магнитооптический модулятор, подключенный к сети переменного тока частоты из, предметный столик с углоизмерительным устройством, которое через привод соединено с реверсивным двигателем, центры вращения которых совпадают с плоскостью раздела известной и исследуемой сред объекта, и подвижное плечо, в котором установлено Зеркало, дополнительно введены электрооптический модулятор разности фаз, подключенный к источнику переменного напряжения частоты Я=с и установленный между магнитооптическим модулятором и предметным столиком так, что его наведенные оси совпадают соответственно с плоскостями падения и раздела сред, и дополнительный избирательный усилитель, соединенный с Фотоприемни-, ком и настроенный на частоту Й, к выходу которого подключен реверсивный двигатель привода углоиэмерительного устройства. 4В предлагаемом устройстве компенсация разности Фаз 8 производится.:в результате двухкратного отражения поляризованного света, а 5 компенсация изменения азимута восстановленной линейной поляризациипроизводится поворотом поляризационного фильтра. Наличие модулятораразности фаэ с указанными связями дает возможность получить положительный эффект, а именно использовать фазовый признак определенияглавного угла падения с(. , чтоувеличивает точность установки углалпадения сС: сА в десятки раз, чтопозволяет точнее измерять показателипреломления и поглощения сред.В предлагаемом устройстве электрооптический модулятор работает начастоте возбуждения Я отличной отчастоты возбуждения азимутальногомагнитооптического модулятора иявляется составной неотьемлемойчастью следящей системы поиска ивустановки главного угла падения с,дНаличие дополнительного модулятора разности фаз и дополнительнойследящей системы с усилителем идвигателем позволяет одновременнои непрерывно вести поиск главногоАугла падения о( и компенсациюизменений азимута Ч , что упрощает и ускоряет процесс измерений.На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого устройства, 35на Фиг. 2 - пример изменения интенсивности света, коэффициентов отражения Р и К компонентов све 5та, разности фаз О и азимута восстановленной линейной поляризации Ч 40в зависимости от угла падения А.при однократном отражении от грани ы паздела воздух-алюминий.Рефрактометр поляризационныйсодержит неподвижное и подвижноеплечи. В неподв 1 окном плече установлены источник 1 света, формировательколлимированного монохроматическогопучка света, состоящий из линз 2 и 50 3, между которыми установлен интерференционный фильтр 4, диафрагмы 5 и коллиматора 6, разделитель 7пучков света, например, в виде делительного кубика, поляризационный 55 Фильтр 8, укрепленный на лимбе 9,магнитооптический модулятор 1 О,подключенный к источнику переменноготока частоты ц), например к сети, 1155921 бэлектрооптический модулятор 11 разности фаз, подключенный к источнику 12 переменного напряжения часто-ты Л -"о) . В подвижном плече установлено зеркало 13 так, что его отражающая поверхность постоянно перпендикулярна направлению распространения отраженного пучка света,Между элементами неподвижного и подвижного плеч установлен предметный 10столик 14 для закрепления исследуемого объекта 15 и углоизмерительное устройство 16. Центры вращенияпредметного столика 14 с исследуемым объектам 15 и углоизмерительного устройства 16 совпадают с плос-костью раздела известной (напримервоздух) среды и исследуемого объекта 15.Неподвижное и подвижное плечи 26рефрактометра соединены между собой штангами 17 параллелограмма,диагональю которого является подвижный микрометренный винт 18, связанный с электродвигателем 19 с по- Имощью редуктора 20, На выходе разделителя 7 пучков света на путиотраженного пучка установлен фотоприемник 21. К Фотоприемнику 21 подключены избирательные усилители 22 Эри 23. Усилитель 22 настроен начастоту о 3 возбуждения модулятора.10 и подключен к обмотке управления реверсивного двигателя 24,который механически связан с лимбам9, а усилитель 23 настроен начастоту Й возбуждения модулятора 11и подключен к обмотке реверсивногодвигателя 19. Модулятор 11 разностиФаз закреплен так, что его наведенные электрическим полем оси совпадают соответственно с плоскостямипадения и раздела известной средыи исследуемого объекта 15, Иикрометрический винт 18 жестко связанс поворотным столиком 14 и с углоизмерительным устройством 16, Винт18, редуктор 20 и двигатель 19 составляют привод углоизмерительногоустройства, измеряющего угол паде-.ния света на границу раздела известной среды и исследуемого объекта 15. Рефрактометр поляризационныи работает следующим образом. 55Сформированный элементами 1-б оптики коллимированный монохроматический пучок света проходит разделитель 7 пучков света, поляризационный фильтр 8 и становится линейно поляризованным, азимут плоскости поляризации которого зависит ат угла поворота 6 лимба 9 совместно с поляризационным фильтром 8. Далее свет проходит магнитооптический модулятор 10, электроаптический модулятор 11 и под углом о(. падает на границу раздела известной (воздух) среды и исследуемого объекта 15Отраженный пучок света падает на зеркало 13, возвращается обратно и под таким же углом о(. снова падает на границу раздела сред. После вторичного отражения свет еще раз проходит электрооптический модулятор 11, магнитооптический модулятор 10, поляризацнонный фильтр 8 и, отразившись от полупрозрачного слоя разделителя 7 пучков света, падает на Фотоприемник 21. Если угол падения о Ф О, то вследствии различий коэффициентов отражения Вр и К после каждого отражения от исследуемого объекта 15 состояние поляризации изменяется (Фиг. 2). Причем, при любых значениях И и Ж можно найти такой угол паденияо(,=о(, (фиг 2), при котором после однократного отражения разность фаз между Р и 5 компонентами точно равна 90 , а зависимость азимута восстановленной линейной поляризации + от угла падения о(. имеет экстремальное значение, т.е. Ф =ФминСледовательно, при о(.:",( и двух- кратном отражении падающий линейно поляризованный свет претерпевает изменения как по азимуту на величину ЬЧ=2(1/ - Ч), так и по разности фаз на величину 8 = 80 и становится снова линейно поляризованным, причем его.плоскость поляризации будет ортогональна по отношению к плоскостиполяризации исходного пучка (до падения на грани цу Раздела сред), если плоскость поляризации фильтра 8 составляет угол 9 = - (Ч - Ч) по отношению к н 1 левому (исходному) положению ( Фо = .450) относительно плоскости падения, т.е. если скомпенсирован эффект поворота плоскости поляризации, вызванный разницей между коэффициентами отражения Кр и Й 5 В этом случае фотоприемник 2 будетвоспринимать минимальный световойпоток.Кроме того, состояние поляризации падающего.и отраженного света цополнительно изменяется по гармоническому закону на небольшую величину с помощью модуляторов 10 и 11. Под воздействием изменяющегося с частотой 3 магнитного поля на активное вещество (стекло) модулятора 10 падающий линейно поляризованный свет модулируется по азимуту с коэффициентом модуляции ( О, 1. Под воздействием изменяющегося с частотой Й =с) переменного продольного электрического поля одноосный кристалл модулятора 11 становится двухосным. В процессе прохождения света через модулятор 11 поляризованный свет модулируется по разности фаз с коэффициентом модуляции меньшим О, 1.Следовательно, после двухкратноголотражения под углом с: с, и двухкратного прохождения через модуляторы свет снова становится линейно поляризованным и промодулированным как по азимуту с частотой .) , так и по фазе с частотой Я . После вторичного прохождения поляризационного фильтра 8 световой поток минимален и содержит небольшие переменные составляющие вторых гармоник частот модуляции 2 с ) и 2 й . В этом случае электрические сигналы фотоприемника в виде переменных составляющих частот 2 Д и 2 й не воспринимаются избирательными усилителями 22 и 23 и двигатели 24 и 19 находятся в состоянии покоя.Если угол падения не равен главлному углу, например с(сС,то согласно фиг. 2 8(90, а Ч/фЧ. Тогда после двухкратного отражения свет будет эллиптически поляризованным. В этом случае свет не погашается поляриэационным фильтром с прежней ориентацией плоскости пропускания, а в спектре сигнала фотоприемника 21 присутствуют переменные составляющие первых гармоник частот модуляции о) и Й , фазы которых зависят от направления отклонения от точки 3. Переменная составляющая сигнала частоты с) усиливается избирательным усилителем 22 и подается на обмотку управления двигателя 24, который вращает поляри. зационный фильтр 8 в направлении, соответствующем фазе переменной составляющей до момента исчезновения в спектре сигнала фотоприемника первой гармоники частоты о 3,Переменная составляющая сигнала 5 частоты Й усиливается избирательным усилителем 23 и подается наобмотку управления двигателя 19,который через редуктор 20 вращаетмикрометрический винт 18 и изме О няет угол падения в данном случаев сторону уменьшения до тех пор,пока двухкратно отраженный светстановится линейно поляризованным,т.екогда в спектре сигнала фото приемника исчезает переменная составляющая частоты ЛТаким образом, при любых зна-.чениях показателей преломления 1и поглощения К сред следящие систе- уО мы с двигателями 19 и 24 автоматически устанавливают угол падения Ф.и азимут поляризационного фильтра 8 в положение 6 = - (Ч- У )о(45 -Ч ) . Значение угла паделд ния с, измеряется углоизмерительным устройством 16 а значение азимута Ч = 45 - 9 определяется спомощью лимба 9. Значение искомых показателей И и поглощенияопределяют с помощью, напримеркалькулятора, мини ЭВМ или встроенного микропроцессора по известнымформулам Арчера ипи при И ) 1 поупрощенным Формулам35 И = 51 К. у с с лСо2 Ч;. лЖ=5 ес-ысц 6 и 2 Ч 40Предлагаемое устройство имеет рядсущественных преимуществ по сравнению с известными устройствами.Основные из них следующие. Во-первых,благодаря наличию модулятора 11разности фаз (фиг. 1) основнымпризнаком правильной установки углла падения с(= с(, в предлагаемом устройстве является точное значениеразности фаз В = 180 . Кривая 56зависимость разности фаз 5 от угла падения ос в окрестностях сСслимеет большую крутизну (с учетомдвухкратного отражения Ю/дс ъ 1 О),В то же время основным признаком 55установки главного угла падения ж,эв известных устройствах являетсяминимальное значение коэффициентаотражения Р, кривая зависимостикоторого от угла падения ц( в ок1155921 1 лрестности о(.чмеет ничтожно малую крутизну (дйдсС О). Поэтому наличие дополнительного модулятора разности фах в предлагаемом устройстве увеличивает чувствительность прибора в десятки раз при поиске главного угла падения с.что приводит к увеличению точности измерений показателей преломления и поглощения исследуемых сред.Во-вторых, наличие в предлагаемом устройстве модулятора разности фаз, возбуждаемого частотой Я. , наличие дополнительной следящей системы с усилитегй.м 23, настроенным на частоту Й , и с двигателем 19 позволяет одновременно и непрерывно вести поиск как главного угла паделния с(. , так и производить компенсацию изменений азимута Чф спомощью поляризационного фильтра 8.Это значитепьно упрощает процессизмерений по сравнению с известными 5 устройствами, которые требует поэтапных измерений сначала главногоугла падения, а затем угла поворотаполяризационного фильтра при компенсации изменений азимута.ЧПредлагаемый рефрактометр поляризационный может использоватьсядля исследований любых поглощающихсред, особенно для экспрессного контроля полупроводников, металлов,минералов и т.д. Применение рефрактометра на производстве повьппает про- изводительность труда и качествоконтролируемой с помощью предлагаемого устройства продукции.155921 ектор В. Бутяга Подписное 33/38 Тираж 897ВНИИПИ Государственного комитета Спо делам изобретений и открытий3035, Москва, Ж, Раущская наб.,Заказ 4/5