SU1155921A1 - Рефрактометр пол ризационный - Google Patents

Abstract

РЕФРАКТОМЕТР ПОЛЯРИЗАЦИОНРШЙ , содержащий установленные последовательно неподвижное плечо, в котором установлен источник света и расположенные по ходу светового пучка фор1«1рователь коллимированного аучка света, разделитель пзгчков света, оптически св занный с фотоприемником , выход которого соединен с избирательным усилителем, иол ризационйый фильтр, механически св занный с двигателем, магнитооптический модул тор, подключенный к сети переменного тока частоты oj , предметный столик с углоизмерительным устройством, которое через привод соединено с реверсивным двигателем , центры вращени  которых совпадают с плоскостью раздела известной и исследуемой сред объекта, и подвижное плечо, в котором установлено зеркало, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности и упрощени  измерений , в устройство дополнительно введены электрооптический модул тор разности фаз, подключенный к источнику переменного напр жени  частоты ft tj и установленный между маг (Л нитооптическим модул тором и предметным столиком так, что его наведенные оси совпадают соответственно с плоскост ми падени  и раздела сред, и дополнительный избирательный усилитель , соединенный с фотоприемником и настроенный на частоту Л , к выходу которого подключен реверсивный двигатель привода углоизмерительного устройства.

Description

t 1 Изобретение относитс  к оптикомеханическим приборам и может быть использовано дл  измерений показате лей преломлени  и поглощени  полупроводников , металлов и других поглощающих свет сред, которые нельз  исследовать с помощью известных рефрактометров. Известен пол ризационный рефракт метр, содержащий источник излучени , пол ризатор, модул тор, измери тельный элемент полного внутреннего отражений и анализатор, св занны обратной св зью с фотоэлектрической частью прибора. Поворот анализатора характеризует величину р.зности фаз, а следовательно, и измер емое значение показател  преломлени  СП Наиболее близким по технической сзпдности к предлагаемому  вл етс  рефрактометр пол ризацио.шь1Й, содержащий установленные последовательно неподвижное плечо, в котором установлен источник света и расположенные по ходу светового пучка формирователь коллимированного пучк света, разделитель пучков света, оптически св занный с фотоприемником , выход которого соединен с избирательным усилителем, пол ризационньй фильтр, механически св занный с двигателем, магнитооптический модул тор, подключенный к сети переменного тока : О предметный сто лик с углоизмерительным устройством которое через привод соединено с реверсивным двигателем, центры вращени  которых совпадают с плоскость раздела известной и исследуемой сре объекта, и подвижное плечо, в котором установлено зеркало, причем так, что его отражающа  поверхность перпендикул рна направлению распространени  отраженного пучка. I Диагональным элементом параллелограмма служит микрометренный винт с гайкой, котора  с помощью шарниров соединена с плечами параллелограмма . Микрометренный винт соедине с двигателем посто нного тока, кото рый управл етс  усилителем мощности подключенным к устройству дифференцировани  сигнала фотоприемника. Принцип работы известного устрой ства основан на эффектах измерени  азимута восстановленной линейной по л ризации Ч и разности фаз о в районе главного угла падени  Л.гд г--г drct } /h-+-jt , где И и К. - относительные показатели преломлени  и поглощени . При двухкратном отражении пол ризов1анного света от границы раздела известной и исследуемой сред под углами падени  (.щ независимо от относительных показателей преломлени  h и поглощени  3t происходит изменение разности фаз а изменение на величину азимута восстановленной линейной пол ризации зависит от величины If- т.е. при,о о(щИ двухкратном отражении граница раздела сред работает как ротатор и фазова  полволнова  пластинка, преобразующа  линейную пол ризацию в ортогональную ей. Кроме того, принцип работы известного устройства основан также на эффекте достижени  наименьщего значени  Р-компоненты отраженного пол ризационного света при угле падени  с(.г. . Дл  измерений показателей преломлени  и поглощени  - сред с помощью известного устройства требуетс  первоначально установить пол ризационный фильтр так, чтобы его плоскость пропускани  совпадала с плоскостью падени  света. Затем устанавливают угол laдeни  заведомо меньшим ожидаемого значени  V гл и запускают двигатель, св занный с параллелограммом. В процессе плавного изменени  угла падени  at производ т дифференцирование электрического сигнала фотоприемника. При достижении минимального значени  дважды отраженного от границы раздела сред света на вькоде дифференцирующего устройства будет нулевое значение сигнала и двигатель привода параллелограмма обтанавливаетс . Значение угла падени  , оС , который принимают за главный угол считывают с углоизмерительного устройства . Затем запускают двигатель, св занный с приводом пол ризационного фильтра, и одновременно подключают магнитооптический модул тор к генератору переменного тока. В момент отсутстви  в спектре сигнала фотоприемника первой гармоники частоты возбуждени  модул тора двигатель останавливаетс  и по угло- мерному устройству привода пол ризационного фильтра определ ют значенис азимута восстановленной линейной пол ризации.

По из1-геренным таким образом значени м V и Н с помощью известных формул Аргера вычисл ют искомые вещественные составл ющие Пи комплексного показател  преломлени  и и-J к 2 .

Недостатки этого устройства низка  точность и сложна  методика измерений, требующа  значительной затраты времени. Причиной тому  вл етс  низка  точность определени  главного угла падени  по минимальному значению интенсивности

р-компоненты отраженного света.

. , ..

Цель изобретени  - повышение точности и упрощение измерений показателей преломлени  и поглощени  поглощающих сред.

Цель достигаетс  тем, что в рефрактометр пол ризационный, 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 св занный с фотоприемником, выход которого соединен с измерительным усилителем, пол ризационный фильтр, механически св занный с двигателем, магнитооптический модул тор подключенный к сети переменного тока частоты u9, предметный столик с углоизмерительHbw устройством, которое через привод соединено с реверсивным двигателем, центры вращени  которых совпадают с плоскостью раздела известной и исследуемой сред объекта, и подвижное плечо, в котором установлено зеркало, дополнительно введены электрооптический модул тор разности фаз, подключенный к источнику переменного напр жени  частоты и установленный между магнитооптическим модул тором и предметным столиком так, что его наведенные оси совпадают соответственно с плоскост ми падени  и раздела сред, и дополнительный избирательный усилитель, соединенный с фотоприемниг ком и настроенный на частоту SI, к выходу которого подключен реверсивный двигатель привода углоизмерительного устройства.

В предлагаемом устройстве компенсаци  разности фаз о производитс .в результате двухкратного отражени  пол ризованного света, а

5 компенсаци  изменени  азимута восстановленной линейной пол ризации производитс  поворотом пол ризационного фильтра. Наличие модул тора разности фаз с указанными св з o ми дает возможность получить положительный зффект, а именно использовать фазовый признак определени  главного угла падени  о(.гл , что увеличивает точность установки угла

5 .падени  а(. в дес тки .раз, что

позвол ет точнее измер ть показатели преломлени  и поглощени  сред.

В предлагаемом устройстве электрооптический модул тор работает на

Q частоте возбуждени  fl отличной от частоты возбуждени  азимутального магнитооптического модул тора и  вл етс  составной неотъемлемой частью след щей системы поиска и

5 установки главного угла падени  C(IA. Наличие дополнительного модул тора разности фаз и дополнительной след щей системы с усилителем и двигателем позвол ет одновременно и непрерывно вести поиск главного угла падени  d. / и компенсацию изменений азимута Ч что упрощает и ускор ет процесс измерений.

На фиг. 1 изображена принципиальна  схема предлагаемого устройства;

5 на фиг. 2 - пример изменени  интенсивности света, коэффициентов отражени  RP и RJ компонентов света , разности фаз О и азимута вос;становленной линейной пол ризации Y

1

в зависимости от угла падени  с

при однократном отражении от граниры раздела воздух-алюминий.

Рефрактометр пол ризацконный 5 содержит неподв1 гжное и подвижное плечи. Б неподв1сжном плече установлены источник Т света, формирователь коллимированного монохроматического пучка света, состо щий из линз 2 и 0 3, между которыми установлен интерференционный фильтр 4, диафрагмы 5 и колл11матора 6, разделитель 7 пучков света, например, в виде делительного кубика, пол ризационный фильтр 8, укрепленный на лимбе 9, магнитооптический модул тор 10, подключенный к источнику переменного тока частоты uj , например к сети.

электрооптический модул тор 11 разности фаз, подключенный к источнику 12 переменного напр жени  частоты ) , В подвижном плече установлено зеркало 13 так, что его отражающа  поверхность посто нно перпендикул рна направлению распространени  отраженного пучка света, Между элементами неподвижного и подвижного плеч установлен предметный столик 14 дл  закреплени  исследуемого объекта 15 и углоизмерительное устройство 16. Центры вращени  предметного столика 14 с исследуемым объектом 15 и углоизмерительного устройства 16 совпадаютс плос костью раздела известной (например воздух) среды и исследуемого объекта 15,

Неподвижное и подвижное плечи рефрактометра соединены между собой штангами 17 параллелограмма, диагональю которого  вл етс  подвижный микрометренный винт 18, св занный с электродвигателем 19 с помощью редуктора 20. На выходе разделител  7 пучков света на пути отраженного пучка установлен фотоприемник 21. К фотоприемнику 21 подключены избирательные усилители 22 и 23. Усилитель 22 настроен на частоту и) возбуждени  мо;(ул тора 10 и подключен к обмотке управлени  реверсивного двигател  24, который механически св зан с лимбом 9, а усилитель 23 настроен на частоту Л. возбуждени  модул тора 1 и подключен к обмотке реверсивного двигател  19. Модул тор 11 разности фаз закреплен так, что его наведенные электрическим полем оси совпадают соответственно с плоскост ми падени  и раздела известной среды и исследуемого объекта 15. Микрометрический винт 18 жестко св зан с поворотным столиком 14 и с углоизмерительным устройством 16. Винт 18, редуктор 20 и двигатель 19 составл ют привод углоизмерительного устройства, измер ющего угол паде-. ни  света на границу раздела известной среды и исследуемого объекта 15.

Рефрактометр пол ризационный работает следующим образом.

Сформированный элементами 1-6 отики коллимированный монохроматический пучок света проходит разделитель 7 пучков света, пол ризационный фильтр 8 и становитс  линейно пол ризованным, азимут плоскости пол ризации которого зависит от

угла поворота 0 лимба 9 совместно с пол ризационным фильтром 8. Далее свет проходит магнитооптический модул тор 10, электрооптический модул тор 11 и под углом оС падает

на границу раздела известной (воздух) среды и исследуемого объекта 15. Отраженный пучок света падает на зеркало 13, возвращаетс  обратно и под таким же углом об снова падает на границу раздела сред. После вторичного отражени  свет еще раз проходит электрооптический модул тор 11, магнитооптический модул тор 10, пол ризационный фильтр 8 и,

0 отразившись от полупрозрачного сло  разделител  7 пучков света, падает на фотоприемник 21. Если угол Падени  , то вследствии различий коэффициентов отражени  Rj

5 и RJ после каждого отражени  от исследуемого объекта 15 состо ние пол ризации измен етс  (фиг. 2). Причем, при любых значени х и и 3t можно найти такой угол падени  oC.o(in (фиг 2), при KOToi oM после однократного отражени  разность фаз между Р и S компонентами точно равна 90°, а зависимость азимута восстановленной линейной пол ризации Н от угла падени  о(. имеет экстремальное значение, т.е.Ч Ниин

Следовательно, при о(.о(.и двухкратном отражении падающий линейно пол ризованный свет претерпевает изменени  как по азимуту на величину (), ° разности фаз на величину В 180 и становитс  снова линейно пол ризованным , причем его- плоскость пол ризации будет ортогональна по отношению к плоскости пол ризации исходного пучка (до падени  на грани цу раздела сред), если плоскость пол ризации фИльтра 8 составл ет угол 9 - (%-Ч) по отношению к нулевому (исходному) положению ( - 45) относительно плоскости падени , т.е. если скомпенсирован эффект поворота плоскости пол ризации , вызванный разницей между коэффициентами отражени  Rp и Rj В этом случае фотоприемник 21 будет воспринимать минимальный световой поток.

Кроме того, состо ние пол ризации падающего, и отраженного света дополнительно измен етс  по гармоническому закону на небольшую величину с помощью модул торов 10 и 11, Под воздействием измен ющегос  с частотой (jj магнитного пол  на активное вещество (стекло) модул тора 10 падак ций линейно пол ризованньй свет модулируетс  по азимуту с коэффициентом модул ции 0,1. Под воздействием измен ющегос  с частотой SI 1 переменного продольного электрического пол  одноосный кристалл модул тора 11 становитс  двухосным. В процессе прохождени  света через модул тор 11 пол ризованный свет модулируетс  по разности фаз с коэффициентом модул ции меньшим 0,1.

Следовательно, после двухкратног отражени  под углом od: oCj и двухкратного прохождени  через модул торы свет снова становитс  линейно пол ризованным и промодулированным как по азимуту с частотой и) , так и по фазе с частотой Q . После вторичного прохождени  пол ризационног фильтра 8 световой поток минимален и содержит небольшие переменные составл ющие вторых гармоник частот модул ции 2 и) к 2 fl.

В этом случае электрические сигналы фотоприемника в виде переменны составл ющих частот 2ч) и 2 Я. не воспринимаютс  избирательными усилител ми 22 и 23 и двигатели 24 и 19 наход тс  в состо нии поко .

Если угол падени  не равен главному углу, например оос.то согласно фиг. 2 , а Ч Углин . Тогда после двухкратного отражени  свет будет эллиптически пол ризованным. В этом случае свет не погашаетс  пол ризационным фильтром с прежней ориентацией плоскости пропускани , а в спектре сигнала фотоприемника 21 присутствуют переменные составл ющие первых гармоник частот модул ции и) и и , фазы которых завис т от направлени  отклонени  от точки 3. Переменна  составл юща  сигнала частоты и) усиливаетс  избирательным усилителем 22 и подаетс  на обмотку управлени  двигател  24, который вращает пол ризационный фильтр 8 в направлении, соответствующем фазе переменной

составл ющей до момента исчезновени  в спектре сигнала фотоприемника первой гармоники частоты (.0. Переменна  составл юща  сигнала 5 частоты Л усиливаетс  избирательным усилителем 23 и подаетс  на обмотку управлени  двигател  19, который через редуктор 20 вращает микрометрический винт 18 и измен ет угол падени  в данном случае в сторону уменьшени  до тех пор, пока двухкратно отраженный свет становитс  линейно пол ризованным, т.е. когда в спектре сигнала фото5 приемника исчезает переменна  составл юща  частоты Л .

Таким образом, при любых зна-. чени х показателей преломлени  п и поглощени  Jt сред след щие системы с двигател ми 19 и 24 автоматически устанавливают угол падени  о(. о(д и азимут пол ризационного фильтра 8 в положение 0 - (% - У ) - (45 -V). Значение угла падени  измер етс  углоизмерительным устройством 16 а значение азимута Ч 45° - 0 определ етс  с помощью лимба 9. Значение искомых показателей п и поглощени  ЗС Q определ ют с помощью, например

калькул тора, мини ЭВМ или встроенного микропроцессора по известным формулам Арчера или при п 1 по упрощенным формулам

h ,2y;

Эе-Зт оСглЦг л Sh2Y.

Предлагаемое устройство имеет р д существенных преимуществ по сравнению с известными устройствами. Основные из них следующие. Во-первых благодар  наличию модул тора 11 разности фаз (фиг. 1) основным признаком правильной установки угла падени  о( предлагаемом устройстве  вл етс  точное значение разности фаз § 180°. Крива  зависимость разности фаз S от угла падени  оС в окрестност х Vj имеет большую крутизну (с учётом двухкратного отражени  d(5/do. 10), В то же врем  OCHOBHI,IM признаком установки главного угла падени  5с j в известных устройствах  вл етс  минимальное значение коэффициента отражени  Р, , крива  зависимости которого от угла падени  (Л в окрестности o(.j чмеет ничтожно малую крутизну (dRp/dcC O) . Поэтому наличие дополнительного модул тора разности фах в предлагаемом устройстве увеличивает чувствительность прибора в дес тки раз при поиске главного угла падени  с. л что приводит к увеличению точности измерений показателей преломлени  и поглощени  исследуемых сред.

Во-вторых, наличие в предлагаемо устройстве модул тора разности фаз, возбуждаемого частотой 0- , наличие дополнительной след щей системы с усилитех м 23, настроенным на частоту Л , ц с двигателем 19 позвол ет одновременно и непрерывно вести поиск как главного угла падени  d.f , так и производить компенсацию изменений азимута с помощью пол ризационного фильтра 8. Это значитепьно упрощает процесс измерений по сравнению с известными устройствами, которые требует поэтап|ных измерений сначала главного угла падени  а затем угла поворота пол ризационного фильтра при компенсации изменений азимута.Ч ,

Предлагаемый рефрактометр пол ризационный может использоватьс  дл  исследований любых поглощающих сред, особенно дл  экспрессного контрол  полупроводников, металлов, минералов и т.д. Применение рефракто метра на производстве повьшает производительность труда и качество контролируемой с помощью предлагаемого устройства продукции.

«

ff

Claims (1)

1. РЕФРАКТОМЕТР ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ, 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, магнитоопти ческий модулятор, подключенный к сети переменного тока частоты <х) , предметный столик с углоизмерительным устройством, которое через привод соединено с реверсивным двига телем, центры вращения которых совпадают с плоскостью раздела известной и исследуемой сред объекта, и подвижное плечо, в котором установлено зеркало, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения измерений, в устройство дополнительно введены электрооптический модулятор разности фаз, подключенный к источнику переменного напряжения частоты Q. -а) и установленный между магнитооптическим модулятором и предметным столиком так, что его наведенные осн совпадают соответственно с плоскостями падения и раздела сред, и дополнительный избирательный усилитель, соединенный с фотоприемником и настроенный на частоту Λ , к выходу которого подключен реверсивный двигатель привода углоизмерительного устройства.

   >