Устройство для измерения поляризационных характеристик анизотропных сред

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АНИЗОТРОПНЫХ СРЕД , содержаи1ее оптически связанные источник монохрйматического и злу.чения, коллиматор, светоделительное зеркало, поляризатор, модулятор держатель для исследуемого образца , нормально отражаютее зеркало, компенсатор, анализатор, фотоприемник , соединенный с регистрирукяаим устройством, о т л и ч а ю щ ес .я тем, что, с целью измерения всех поляризационных параметров анизотропных сред и упрощения устройства, поляризатор и модулятор последовательно расположены после коллиматора по ходу луча, между держателем для исследуемого обра;эца и нормально отражающим зеркалом по ходу проходящего через светоделительное зеркало луча последовательно расположены первая и вторая четвертьволновые пластинки, причем вторая снабжена механизмом для равномерного вращения вокруг оси луча, а Компенсатор, анализатор и фотоприемник расположены после светоделительного зеркала по ходу отраженного от него луча со стороны нормально отражакячего зеркала, между компенсатором и анализаторе расположена третья четвертьволновая пластинка, снабженная механизмом параллельного смещения, после анализатора установлен прерыватель луча, при этом модулятор выполнен электрооптическим, компенсатор - Фазовым, держатель для исследуемого образца - в виде столика для исследуемого образца с поворотными механизмами, главные оси первой и третьей четвертьволновых пластинок составляют угол 45° , поляризационная ось поляризатора перпендикуN лярна главной оси первой четвертьволновой пластинки, главная ось элект рооптического модулятора параллельсо ел на главной оси третьей четвертьволновой пластинки, главная ось компенсо сатора параллельна главной оси первой четвертьволновой пластинки, причем анализатор выполнен с возможностью вращения вокруг оси луча и снабжен устройством отсчета азимутов угла поворота, а между фотоприемни .ком и регистрирующим устройством введены два узкополосных усилителя.

СОЮЗ С(ЮЕТСНИХ

Хц В

1%СПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21 ) 3379087/18-25 (22 ) 08,01,82 (46) 07.06.83. - Бюл. Р 21 (72 ) И. A. Рокос (ЧССР) (71 ) Всесоюзный научно-исследовательский институт физике-технических и радиотехнических измерений (53) 535.8 (088.. 8) (56 ) 1. Горшков М. M. Эллнпсометрия.

М., "Советское радио", 1974, с. 83.

2, Бужинский A.Н ° 3 .ейкии М. В.

Поляриметрические приборы для исследования молекулярного строения вещества. ONP., 1971, 11, с. 55.

3. Велюз Л. и др. Оптический круговой дихроиэм. N., "Мир", 1967, с. 71-89;

4. Дисперсия оптического вращения и круговой дихроизм в.органической химии. Материалы симпозиума в Бонне

24.09-01.10.65. Под ред, Г. Шнатцке .

И. "Мир", 1970.

5. Баранойа Н. Б. и др. Измерение сверхмалых поворотов плоскости r.зля.ризации света. Физический институт

А8 СССР,. препринт Р 124, ч. I1, 1977 (щэототип), (54)(57) УСТРОИСТВО ЛЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ПОЛЯРИЗИ1ИОННЦХ XAPAKTEPHCTHK АНИЗОТРОПННХ СРЕД, содержащее оптически связанные источник монохрбматического излучения,.коллиматор, светоделительное зеркало, поляризатор, модулятор держатель для исследуемого образца, нормально отражающее зеркало, .компенсатор, аналйзатор, Фотоприемник, соединенный с регистрирующим устройством, о т л и ч а ю щ е"е с,я тем, что, с целью измерения всех поляриэационных параметров аниэотропных

„„SU„„.1 21 59.А сред и упрощения устройства, поляризатор и модулятор последовательно расположены после коллиматора по ходу луча, между держателем для исследуемого образца и нормально отражака1им зеркалом по ходу проходящего через светоделительное зеркало луча последовательно расположены первая и вторая четвертьволновые пластинки, причем вторая снабжена механизмом для равномерного вращения вокруг оси луча, а компенсатор, анализатор и фотоприемник расположены после светоделительного зеркала по ходу отраженного от него луча со стороны нормально отражающего зеркала, между компенЮ сатором и анализатором расположена третья четвертьволновая пластинка, снабженная механизмом параллельного смещения, после анализатора установлен прерыватель луча, при этом моду- { лятор выполнен электрооптическим, компенсатор - Фазовым, держатель для Я исследуемого образца — в виде столика для исследуемого образца с поворотными механизмами, главные оси первой и третьей четвертьволновых пластинок составляют угол 450, поляриза- 4, ционная ось поляризатора перпендику- фф лярна главной оси первой четвертьволновой пластинки, главная ось элект ® рооптического модулятора параллель- (© на главной оси третьей четвертьволновой пластинки, главная ось компен- СЛ сатора параллельна главной оси пер- (© вой четвертьволновой пластинки, причем аиализатор выполнен с возможностью вращения вокруг оси луча и снабжен устройством отсчета азимутов угла поворота, а между фотолриемником и регистрирующим устройством введены два узкополосных усилителя.

1021959

Изобретение относится к оптике и измерительной технике и предназначено для исследования анизотропных сред.

Известны устройства для измерения эллиптичности (линейного двупреломяения) (1 ), поворота плосности поляри зации (циркуляционного двупреломления) (21, линейного дихроиэма и цир кулярногб (3 и f4).

Для получения высокой чувствитель- 1О ности и точности, как правило, устройства работают в модуляционном режиме, причем в качестве модуляторов используют механические, электро- .

15 оптические, магнитооптические и другие модуляторы.

Недостатком известных устройств является то, что они не применимы для одновременного точного измерения всех поляризационных параметров.

В частности, при одновременном воздейЦелью изобретения является измерение всех поляриэационных параметров анизо1ропных сред и упрощение устройства.

Для достижения цели в устройстве для измерения поляризационных характеристик анизотропных сред, содержа60

65 ствии линейного двупреломления и циркуляциоиного дихроизма ухудшается точность измерений с помощью известных эллипсометров, поскольку оба эти 25 явления проявляются появлением или изменением эллиптичности. Аналогично, при одновременном действии циркуляционного двупреломпения н линейного дихроиэма ухудшается точность измерений известных поляриметров f2),,поскольку оба эти явлЕния проявляются поворотом плоскости поляризации.

Наиболее близким техническим решением является- устройство для измерения поляризационных характеристик аниз5 эотропных сред, содержащее оптически связанные источник монохроматического излучения, коллиматор, светодели.тельное зеркало, поляризатор, модулятор, камеру для исследуемого образ- 40 ца, нормально отражающее зеркало, компенсатор, ан ализатор, фотопрнем. ник, соединенный с регистрирующим устройством (5).

Устройство предназначено для из- 45 мерения сверхмалых поворатов плоскости поляризации, однако оно ве позволяет проводить измерения линейного двупреломления, линейного и циркуляционного дихроизмов, что ограничива- 50 ет область его применения. Для исключения влияния нестабильности рабочей точки модулятора, а также для исключения влияния внешних магнитных молей использована система автоматической подстройки магнитооптического модулятора, что усложняет конструкцию устройства. щЕм оптически связанные источник ьюнохроматического излучения, коллиматор, светоделительное зеркало, поляризатор, модулятор, держатель для исследуемого образца, нормально отражающее зеркало, .компенсатор, анализатор, фотоприемник, соединенный с регистрирующим устройствьм, поляризатор и модулятор последовательно расположены после коллиматора по ходу луча, между держателемдляисследуемого образца и нормально отражающим зеркалом по ходу прдходящего через светоделительное зеркало луча последовательно расположены первая и вторая четвертьволновые пластинки, причем вторая снабжена механизмом для равномерного вращения вокруг оси луча, а компенсатор, анализатор и фотоприемник расположены после светоделительного зеркала по ходу отраженного от него луча со стороны нормально отражающего зеркала, между компенсатором и анализатором расположена третья четвертьволновая пластинка, снабженная .механизмом параллельного смещения, после анализатора установлен прерыватель луча, при этом модулятор выполнен электрооптическим, компенсатор — фазовым, держатель для исследуемого образца— в виде столика для исследуемого о6разца с поворотными механизмами, главные оси первой и третьей четвертьволновых пластинок составляют угол 45, поляризационная ось поляризатора перпендикулярна главной оси первой четвертьволновой пластинки, главная ось электрооптического модулятора параллельна главной оси третьей четвертьволновой пластинки, главная ось компенсатора параллельна главной оси первой четвертьволновой пластинки, причем анализатор выполнен с возможностью вращения вокруг оси луча н снабжен устройством отсчета азимутов угла поворота, а между фотоприемником и регистрируняаим устройством введены два узкополосных усилителя.

На фиг. 1 изображена схема устройства; на фиг, 2 - принцип действия устройства с помощью сферы Пуанкаре (СП) для линейного двупреломпения и линейного дихроиэма, на фиг. 3 то же, для циркулярного двупреломления и циркулярного дихроизма.

Устройство содержит источник 1 монохроматического излучения,, коллиMcLTop 2, поляризатор 3, электрооптический модулятор 4, светоделительное зеркало 5, столик для.исследуемого объекта с поворотными механизмами б, четвертьволновую пластинку 7 с азимутом оптической оси Оо, вторую четвертьволновую пластинку 8 с механизмом для равномерного вращения вокруг

1621959 оси, параллелькой лучу, нормально линейному дихроизмуь Ы = Кч - Ын тражающее зеркало Э кварцевый ком- Дпя ее компенсации необходимо (при тинпеисатор 10 для компенсации искаже- отсутствии четвертьволновой пластиний состояния поляризации луча на ки 11) поверг n ь анализатор на угол св тоделительном эеРкале 5, четвеРть- »1, (точка А, фиг. 2), где

1 тической оси 45 и с механизмом для

Ъ

ЬЫл

B Ics и

%» - -ч волновую пластинку 11 - "азимутом оп2

% ГС61п Г параллельного смещения в плоскости, »» + -у "М+ ч перпендикулярной лучу, анализатор 12, который s начальном положении имеет причем Гни Гч — -коэффициенты пропусазимут плоскости поляризации 45 ) пре-10 кания для ортогональных линейно порыватель 13 луча, фотоприемник 14, ляризованных лучей. узкополосные усилители 15 и 16, наст- : Если исследуемый объект обладает оенные соответственно на нечетную циркулярным двупреломлением, то дурое и четную гармоники, и Регистрирующее га И поворачивается вокр„ г устройство 17. 15 на угол Д „ 2 9, где д - разность

ПРинцип ДействиЯ УсУРойства Удоб- фаз межд ортогональными циркулярно но показать с помощью сферы Пуанкаре. поляризованными лучами, а " повоБлагодаря поляризатору 3 и электро- рот плоскости поляризации луча, прооптическому модулятору 4 на исспеду- шедшего туда и обратно через исслеемый объект падает луч с модулиро- 20 дуемый объект. При этом на выходе ванным состоянием поляризации, кото- фотоприемника имеет место четная рое изображается дугой и с центром гармоника, амплитуда которой пропорв точке V, лежащей в плоскости VL R. циональна величине ь1п 2 . Для ее

B момент, когда оптическая ось компенсации необходимо (при отсутчетвертьволновой пластинки 8 имеет 25 ствии четвертьволново вой пластинки 11) азимут О или 90 при прохождении повернуть анализатор на угол Ф (точлуча сквозь исследуемый объект туда- ка А< фиг. 3). и обратно, циркулярное двупреломле- Если исследуемюй объект обладает ние и циркулярный дихроизм вычитают- циркулярным днхроизмом, дуга окружся линейное двупрелоиление и линей- ности N преобразуется в дугу эллипный дихроизм складываются. При отра- са Y.. При этом н ы д ф

30 женин обратного луча от светодели- ника имеет место нечетная гармоника, тельного зеркала 5 между составля- амплитуда которой пропорциональна киаими луча с азимутом плоскости по- циркулярному дихроизмулЫ = ии 0 и 90 образуется раз- Для ее компенсации необходимо (при ляризации и ность фаз b ) которая изображается >5 отсутствии четвертьволново пл и астинна СП поворотом дуги И на угол а во- . ки 11) повернуть анализатор на круг ocu Hv (на фиг. 2 не показано) угол Ф (точка A g, фиг. 3), где Ф =

Для компенсации фазового смещения использован кварцевый компенсатор 10) который между составляющими 40 коэффициенты пропускания для ортоголуча с азимутом 0 и 90 создает . нальных циркулярно поляризованных разность фаз (.- Ь )) поэтому дуга И лучей, благодаря компенсатору 10 остается

B плоскости VLR

Если исследуемый объект, имеющий 45 Прерыватель 13 луча открывает азимут онтической оси 0 или 90 вход фотоприемника 14 только в тот обладает линейным двупреломлением) момент, когда азимут оптической оси

М ворачивается вокруг осн четвертьволновой пластинки 8 равен о

HV на угол f/ который равен фазово- и 45, где n = О, 1,, .... аким му смещению между ортогональными 0 образом, если азимут плоскости посоставляющими луча (дуга _#_<, фиг,2) . ляризации анализатора 12 равен 45, Поворот дуги И вокруг оси HV прояв- то при n = О, 2, 4, ... устройство ляется появлением нечетной гармоники измеряет по первой гармонике линейна вых оде фотоприемника амплитуда ное двупреломленне, по второй

t ко1;орой пропорциональна величине линейный дихроизм, при и

sin dq . Для ее компенсации необходи- 55 ... устройстэо измеряет по первой мо анализатор 12, устанавливаемий гармонике циркулярный дихроизм, по досле четвертьволновуй пластинки 11,: второй - циркулярное двупреломпение. повернуть на угол (точка А„, иг. 2 л2

Отличительной особенностью предЕсли исследуемый объект обладает 60 лагаемого изобретения является ислине ным хр и дихроизмом то дуга окруж) т а п н аботе ости М преобразуется в дугу эллип- бочей точки модулятора пр р ности и с Y.. П и этом на выходе фотоприем- в компенсационном р м ежиме. Э1о достигн то не за счет системы автоматичесника имеет место сетная гармоника, нуто амплитуда которой пропорцИональна 65 кой под Р и по ст ойки, усложняюшей конст1021959

ФюР

Ф Фи.

ВНИИПИ Заказ 4025/31 Тираж 873 Подпйсное

Филиал ППП "Патент", r.Óàãîðîä,óë.Ïðîåêòíàÿ,4 рукцию устройства, а благодаря мультипликативной модуляции, при которой выходной сигнал пропорционален величине s in(x - Qs I n(h а + а s Inst) в отличие от аддитивной модуляции, имеющей место в известных устройствах для измерения поляриэационных характеристик, при которой выходной сигнал пропорционален величине

sin(x - Ф + аа + а в! и Фс) и поэтому разность величин х - р, где x - 1О измеряемая и g- компенсирующая величины, не отличима от нестабильности рабочей точки а,а. При мультипликативиой модуляции в момент компенсации равны нулю четные и не- 15 четные гармоники, т.е. имеет место лишь постоянная составляющая, в то время как при аддитивной компенсацин превращаются в нуль либо четные, либо нечетные гармоники.

Известный ультраполяриметр обладает пороговой чувствительностью по повороту плоскости поляризации 1У ад.

Однако с помощью такого поляриметра можно измерять иэ четырех поляризационных характеристик лишь одну— поворот плоскости поляризации. Изготовленный экземпляр предлагаемого устройства имеет пороговую чувствительность 5 10 рад, однако от известного отличается простотой электронной части (в частности, отсутствием систем автоматической подстройки), а также многоцелевым назначением, т.е. возможностью измерять одновременно все четыре поляризационные характеристики.