Поляризационный рефрактометр нарушенного полного внутреннего отражения

 

ПОЛЯРИЗАЦИОННЬП РЕФРАКТОМЕТР НАРУШЕННОГО ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ (НПВО), содержащий источник света и последовательно расположенные по ходу пучка света формирователь коллимированного монохроматического пучка света, включающий конденсор, разделитель пучков света и светофильтр, поляризационный фильтр, модуляторы разности фаз и азимута преимущественной поляризации, элемент НПВО и зеркала, закрепленное на одном из плеч параллелограмма, механически связанного с лимбом углоизмерительного устройства, а также оптически связанный с разделителем пучков света фотоприемник, выход которого электрически соединен через усилитель с входом двигателя, механически связанного с параллелограммом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения , в устройство введены объектив с фокусным расстоянием f , установленный между разделителем пучков света и светофильтром, а также ограничивающая диафрагма диаметром D , равным диаметру рабочего пучка света , разделитель пучков света выполнен в виде непрозрачного зеркала с отверстием диаметром d в зеркаль ном слое и установлен в фокальной (Л плоскости объектива,-а поляризационный фильтр вьшолнен в виде двоякопреломляющей призмы с углом раздвоения взаимно ортогональных поляризационных пучков 90 arctg и закреплен неподвижно таким образом , что плоскости поляризации пада ющих пучков составляют углы - 45 ° с плоскостью падения, причем ограничивающая диафрагма установлена между двоякопр(еломляющей призмой и модулятором разности фаз на расстоянии f от зеркала, удовлетворяющем условию

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (! 9) (11) (51)4 С 01 М 21/43

Л

1 5Д

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

r1O ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3717866/24-25 (22) 29.03.84 (46) 15.09.85. Бюл. Ф 34 (72) А.И.Пеньковский (53) 535.24(088.8) (56) Молочников Б.И., Морозов В.Н.

Методы и аппаратура отражательной поляризационной рефрактометрии.

Обзорная информация ЦНИИТЭИ приборостроения. Вып. 2ТО-4, М, 1981, с. 35-37.

LIuesma ЕЕ., Pela СА and Milmaus J. А new automatic ellipsometer. — Surface Science, v. 56, 1976, р. 189-195. (54)(57) ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ РЕФРАКТОМЕТР НАРУШЕННОГО ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ (НПВО), содержащий источник света и последовательно расположенные по ходу пучка света формирователь коллимированного монохроматического пучка света, включающий конденсор, разделитель пучков света и светофильтр, поляризационный фильтр, модуляторы разности фаз и азимута преимущественной поляризации, элемент НПВО и зеркало, закрепленное на одном из плеч параллелограмма, механически связанного с лимбом углоизмерительного устройства, а также оптически связанный с разделителем пучков света фотоприемник, выход которого электрически соединен через усилитель. с входом двигателя, механически связанного с параллелограммом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в устройство введены объектив с фокусным расстоянием j, установленный между разделителем пучков света и светофильтром, а также ограничивающая диафрагма диаметром D равным диаметру рабочего пучка света, разделитель пучков света выполнен в виде непрозрачного зеркала с отверстием диаметром d в зеркальном слое и установлен. в фокальной плоскости объектива,.а поляризационный фильтр выполнен в виде двоякопреломляющей призмы с углом раздвоения взаимно ортогональных поляо ризационных пучков 90 Я > arctg d

f и закреплен неподвижно таким образом, что плоскости поляризации падающих пучков составляют углы — 45 с плоскостью падения, причем ограничивающая диафрагма установлена между двоякопреломляющей призмой и модулятором разности фаз на расстояния t от зеркала, удовлетворяющем условию

L > 1 ), D(2tg В), где L — максимально допустимое удаление ограничивающей диафрагмы от зеркала.

1179170

Изобретение относится к оптикомеханическим приборам и предназначено для измерений методом нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) вещественной части комплексл ного показателя преломления г = г- г г исследуемых сред, например жидкостей (для большинства которых показатель поглощения х находится в пределах г с 0,02) относительно известной среды, например стекла.

Целью изобретения является повышение точности измерений показателя преломления прозрачных и поглощающих сред.

В предлагаемом устройстве применение неподвижной двулучевой преломляющей призмы с углом раздвоения 8 )

> arctg в сочетании с. разделителем

f света в виде диафрагмы диаметром d, установленной в фокусе объектива, и в сочетании с диафрагмой диаметром

1), равным диаметру рабочего пучка, которая установлена со стороны элемента НПВО на расстоянии f > D(2tg8) от отражающего зеркала, позволяет решить важную задачу: для падающего на элемент НПВО пучка света призма

Волластона является линейным поляризатором с азимутом плоскости поляри- 30 зации, например +45 к плоскости падения, в то же время для отраженного дважды от элемента НПВО пучка света эта же призма является линейным анализатором с азимутом плоскости про- З5 пускания взаимно ортогональным по отношению к падающему пучку, т.е. -45 .

Это позволяет испольэовать дву-, кратное отражение для НПВО (автоколлимационный вариант схемы), что приводит к повышению чувствительности и точности измерений показателя преломления сред методом НПВО, а также благодаря смещению в пространстве взаимно ортогональных по плоскости 45 поляризации пучков света применить зеркальное разделение пучков света практически без потерь световой энергии, что приводит к повышению чувствительности и точности измерений. 50

На чертеже изображена принципиальная схема предлагаемого поляризационного рефрактометра НПВО.

Устройство содержит источник света

1, формирователь коллимированного мо-55 нохроматического пучка света, состоящего из конденсатора 2, диафрагмы 3, находящейся в фокусе объектива 4 с фокусным расстоянием, и светофильтра 5, поляризационную двоякопреломляющую призму Волластона 6, магнитооптический модулятор 7, элемент

НПВО, например, в виде стеклянной призмы 8 с углами рабочих боковых граней ", соприкасающейся с исследуемой средой 9, за которым закреплено, например, с помощью параллелограмма 10 с микрометренным винтом

11 зеркало 12. Диафрагма 3 одновременно служит разделителем прошедших и отраженных пучков и выполнена, например в виде стеклянного кубика, склеенного из двух призм, на диагональную плоскость одной из которых нанесено непрозрачное зеркальное покрытие с отверстием в центре диаметром д . Модулятор 7 возбуждается переменным током частоты <, например от сети. Поляризационная призма

Волластона 6 имее угол раздвоения пучков 8 ) arctg — и закреплена не— подвижно так, что плоскости поляризации падающих пучков имеют углы + 45 с плоскостью падения, а один из раздвоенных пучков является рабочим пучком. За двоякопреломляющей призмой 6 находится ограничивающая диафрагма

13, отверстие которой равно диаметру

D рабочего пучка света, и она установлена на таком расстоянии P. от зеркала, что выполняется условие

1 > D(2tg8), За диафрагмой 13 уста-V новлен неподвижно модулятор 14 разности фаз, например электрооптический,наведенные оси которого совпадают соответственно с плоскостью раздела сред и плоскостью падения. Иодулятор 14 возбуждается переменным электрическим полем той же частоты с<3, что и магнитооптический модулятор 7. Амплитуда и фаза возбуждения модулятора 14 выбраны так, что в любой момент времени относительное приращение разности фаз между р- и

5 -компонентами падающего пучка света равно удвоенному относительному приращению азимута линейной поляризации этого же пучка, но с обратным знаком.

Одно из плеч параллелограмма 10 связано с лимбом 15 углоизмерительного устройства, которое содержит пентапризму 16, объектив 17, сетку,18 и окуляр 19. Со стороны наклонной зеркальной поверхности диафрагмы 3 пучков установлен фотоприемник 20, который через избирательный усилитель

1179170 отражения оптической систе- . мы;

9,,Д вЂ” относительные изменения азимута восстановленной линей5 ной поляризации и разности фаз между р- и -компонентами поляризованного света после отражения, A, > — амплитуда и частота модуля1О ции состояния поляризации модуляторами 7 и 14.

Если угол падения света оС меньше псевдокритического сС „р =are sinôï +Õ, где и и Х вЂ” относительные показатели где

21 электрически связан с реверсивным двигателем 22. Двигатель 22 через редуктор 23 механически связан с ми крометренным винтом параллелограмма 10.

Поляризационный рефрактометр НПВО работает следующим образом.

Сформированный элементами 1-5 коллимированный монохроматический пу чок света падает на призму Волластона 6 и под углом В раздваивается на два пучка с взаимно ортогональной ориентацией плоскостей поляризации, которые в свою очередь составляют углы 45 с плоскостью падения. Один из раздвоенных пучков проходит диафрагму 13, модулятор 14, модулятор

7, отражается от границы раздела известной среды призмы 8 с исследуемой средой 9, зеркалом 12 пучок воз- 2п вращается обратно, повторно отражается от границы раздела сред 8-9, снова проходит модуляторы 7 и 14, призму Волластона 6. Другой раздвоенный пучок задерживается диафрагмой

13 и в работе не участвует. Если исследуемое вещество 9 прозрачное (Ж2-О) для света с рабочей длиной волны Д, а угол падения J равен критическому углу с(„q, при котором после отражения не происходит измене ний состояния поляризации линейно поляризованного света, то объективом

4 свет фокусируется в плоскости отверстия диафрагмы-разделителя 3 и возвращается в сторону источника

35 света 1. Если среда 9 является поглощающей (Ж2 0) или угол падения с g с р при любых значениях Х2, то возвращаемый на призму 6 свет по

40 состоянию поляризации отличается от исходного рабочего пучка и призмой

6 снова разделяется на две компоненты. Одна из компонент по-прежнему проходит диафрагму 3, а другая объ45 ективом 4 фокусируется на зеркальном слое диафрагмы 3 в стороне от его отверстия и, отражаясь от него, направляется на фотоприемник 20. Фотоприемник,20 воспринимает свет интенсив50 ности I, изменяющейся по закону (q-срз 2у соьЯ -2А (2$4 2 ро

2.

cos 2,) эю ddt), — интенсивность неполяризован-S5 ного света, падающего на призму Волластона 6; — энергетический коэффициент преломления и поглощения, то в результате эффекта преобладания двойного относительного измерения азимута восстановленной линейной поляризации 2ф, над относительным изменением разности фаз д при двукратном отражении от границы раздела сред 8-9 переменная составляющая частоты и3 сигнала фотоприемника 20 по фазе будет такой, как фаза возбуждения модулятора 7. А если о ) 2 „р то в результате преобладания относительного изменения разности фаз 8 над азимутом 2 ч переменная составляющая сигнала фотоприемника 20 по фазе будет такой же как фаза возбуждения модулятора 14, т.е. отличаться на

Я рад по сравнению с рассмотренными случаями. Переменная составляющая сигнала фотоприемника 20 усиливается избирательным усилителем 21 и подается на обмотку управления двигателя

22, который через редуктор 23 вращает микрометренный винт 11 и тем самым изменяет угол падения о(в направлел нии, соответствующем углу с „р. При о = с(,р, когда 2+=+< 0,17, в спектре сигнала фотоприемника 20 иск чезает первая гармоника частоты с > и двигатель 22 останавливается. Зна-. чение угла с поворота призмы 8 с жидкостью 9 определяют с помощью лимба 15, изображение которого объективом 17 переносится в плоскость сетки 18 и наблюдается с помощью окуляра 19. Истинное значение псевдокритического угла падения a(p определяют ) по формуле л, (° are Б П() и, Значение измеренной вещественной части Л2 комплексного показателя преломления Л2 = 1 -1Хгопределяют по формуле

n,,- =и, s n4 р

1179170

Составитель С. Голубев

Редактор Т.Веселова Техред С.йовжий Корректор И. Эрдейи

Заказ 5654/42 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Nocква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Применение призмы Волластона в сочетании с диафрагмой-разделителем падающего и отраженного пучков позволяет получить не только линейно поляризованный подающий пучок света, но и добиться разделения взаимно ортогональной по отношению к падающему пучку линейно поляризованной компоненты без больших потерь света. Это дает возможность использовать метод

НПВО с двукратным отражением света, что значительно увеличивает чувствительность и точность измерений вещественной части комплексного показателя преломления поглощающих сред.

Предлагаемое устройство не содержит фазовых пластин и фазовых компенсаторов, что позволяет работать

5 B HBipoKQM cIIeKTpGJIBHQM диапазоне и 1 = 2000 нм с высокой точностью

6„=- 5.10 . Автоколлимационная схема устройства позволяет достигать высоких эргономических качеств рефрактометра. Простота изготовления и высокая точность предлагаемого поляризационного рефрактометра НПВО позволяют считать его перспективным для массового производства взамен существующих такого же класса точности