Способ измерения длины периодичности траекторий лучей в граданах

 

Изобретение относится к области интерференционных измерений и может быть использовано при измерении dn- тических характеристик сред с градиентом показателя преломления. Цель - повышение точности измерений длины -периодичности траекторий меридиональных лучей в средах с симметричным распределением показателя преломления , не имеющим составляющей градиента вдоль направления распространения излучения, в том числе зависимости длины периодичности траектории от длины волны света (дисперсия длины периодичности), и повьпчение производительности измерений. Для образцов с градиентом показателя преломления проводят измерения путем создания общего интерференционного поля полос равной толщины, о соответствии выбранных длин одного или нескольких образцов диаметром, кратным половине длины периодичности тракторий лучей света выбранной длины волны и высоты входа, судят по положению в интерферен1щонной картине внеосевых экстрем мов, измеряют длины образцов и соответствующие координаты внеосевых экстремумов. Исследуемые граданы различной длины помещают в интерференционную систему и регистрируют координаты внеосевых . экстремумов полученного интерференционного поля полос равной толщины , которые определяют высоту входа луча в градан. 11 ил. IC 4; &9 Ч ч liu о

(51) 4 G 01 N 21 45 ф©Pf; (j l,!, х

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ х;х их»» + ф @ $j союз соввтсиих

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИ1(РЕСПУБЛИН

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4161189/31-?5 (22) 15. 12.86 (46) 15. 11.88. Бюл. Р 42 (71) Ленинградский политехнический институт им.M.И.Калинина (72) В. Г.Ильин, Т.И.Меланьина и Н.В.Ремизов (53 ) 535.024 (088.8) (56) Kitano Т., et.all. Mearsument

of Forth-Order Aberration in a /ensZike medium. — IEFE Journ.of truant.

Electr. QE-9, 1973, р.967-971.

Iga К., Yokomory К., Sakogory Т.

Optimum Diffusion Condition in the

Fabrication à Plastic Rod. — Арр1.

Phys. Вetters, 1975, v.26, N tO, р.578-580, (54 ) С Е)СОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ ПЕРИОДИЧНОСТИ ТРАЕКТОРИЙ ЛУЧЕЙ В ГРЯ АНАХ (57) Изобретение относится к области интерференционных измерений и может быть использовано при измерении оптических характеристик сред с градиентом показателя преломления. Цель— повьпиение точности измерений длины

-периодичности траекториймеридиональных лучей в средах с симметричным

„„SU„„1437749 А 1 распределением показателя преломления, не имеющим составляющей градиента вдоль направления распространения излучения, в том числе зависимости длины периодичности траектории от длины волны света (дисперсия длины периодичности), и повышение производительности измерений. Для образцов с градиентом показателя преломления проводят измерения путем создания общего интерференционного поля полос равнои толщины, о соответствии выбранных длин одного или нескольких образцов диаметром, кратным половине длины периодичности тракторий лучей света выбранной длины волны и высоты входа, судят по положению в интерференционной картине внеосевых экстремумов, измеряют длины образцов и соответствующие координаты внеосевых экстремумов. Исследуемые граданы различной длины помещают в интерференционную систему и регистрируют координаты внеосевых экстремумов полученного интерференционного поля полос равной. толщины, которые определяют высоту входа луча в градан. 11 ил.

1437749

Изобретение относится к технике интерференционных оптических измерений и может быть использовано при измерениях оптических характеристик сред с градиентом показателя преломления.

Цель изобретения — повышение точности и производительности измерений.

На фиг.1 показано преобразование плоского волнового фронта градиентными образцами цилиндрической формы (П-падающий плоский волновой фронт, .Z — направление распространения излучения, ось образца, L — половина длины периодичности траектории лучей в идеальном градане, L<, Lp — половины длин периодичности траекторий лучей в образцах, Э вЂ” точки внеосе-. вых экстремумов волнового фронта, 20 геометрические места точек экстремумов волнового фронта, места параллельного оси выхода лучей из образца); на фиг. 2 — направление движения интерференционных полос в окрестностях экстремумов волнового фронта при задержке опорного волнового фронта до положения Г по сравнению с исходным Р; на фиг.3 распределение показателя преломления . в пластине толщиной 2d (и„- значение показателя преломления на оси пластины

n — значение показателя преломления. на

1 краю образца ); на фиг. 4 — ход лучей в пластине с распределенным показателем преломления (Х„ — высота входа луча в пластину толщинои 2d Z— направление распространения излучения, Х, — высота входа луча с меньшей длиной периодичности траектории); на фиг ° 5 — положение внеосе40 вого экстремума на волновом фронте, выходящем из пластины на высоте Х йа фиг.6 — зависимости длины периодичности траекторий лучей от высоты входа для цилиндрических образцов

45 из стекла ОФЗ-1 диаметром 1 мм, полученных путем ионообменной диффузионной обработки в расплаве нитрата натрия при 510 С для различных времен диффузионной обработки; на фиг.7 зависимости длины периодичности траекторий лучей для цилиндрических образцов диаметром 1 мм из стекла ПГ-1 для различных времен обработки заготовок в расплаве нитрата натрия при 55

510 C (кривая 1 соответствует времени обработки 8,6 ч, кривая 2 — 10,.6 ч, кривая .3 - 11,6 ч, кривая 4 — 12,6 ч на фиг.8 — измеренные зависимости длины периодичности для граданов из стекла ОФЗ-1 диаметром 1 мм); на фиг. 9 — зависимости длины периодичности траекторий лучей в граданах из таллийсодержащего стекла ОТФ-944 (кривая 5 соответствует длине волны = 486 нм, кривая 6 — = 632,6 нм; граданы диаметром 3,3 мм получены путем одностадийной ионообменной диф-, фузионной обработки в расплаве нитрата калия в течение 220 ч при 530 С на фиг.10 — схема измерения аберрации длины периодичности траектории лучей в градиентных средах для нескольких образцов одновременно в ин- . терферометре Маха-Цендера; на фиг.11то же, в интерферометре Перо.

Устройство дпя осуществления способа содержит полупрозрачные зеркала 7, сплошные зеркала 8 и кювету 9 с иммерсионной жидкостью 10.

Способ осуществляют следующим образом.

Перед началом измерений определяют длины 1 отрезков граданон 11, помещают их в рабочий пучок интерференционной системы и в образованном интерференционном поле полос равной толщины наблюдают внеосевые экстремумы интерференционной картины.

Радиально-симметричное распределение показателя преломления имеет вид и (r)=п (1-g r +

2 2 к 2

+,Г 11 8™ r "), (1) к= где Ь2„- аберрационные коэффициенты;

n — значение показателя преа ломления на оси образца;

n(r) . — значение показателя преломления на расстоянии г от оси

g — постоянная распространения;

Траектория луча в среде с распределенным показателем преломления определяется из лучевого уравнения

2 где о — угол наклона луча к оси после преломления.

143

Для случая нормального падения луча на входной торец лучевое уравнение первого порядка имеет вид

dr < п (r) () (3)

dZ пг(ro)

Уравнение (3) описывает изменение наклона луча к оси образца вдоль траектории. Анализ уравнения (3) показывает, что луч, вошедший параллельно оси на высоте г, не может о отклониться на большее расстояние, чем r (иначе (dr/dZ) меньше нуля), а параллелен оси луч при (r)= )r ), т.е. когда n(r)=n(r ).В силу свойств среды и уравнения траектория луча является периодической функцией от

Z (Z — координата, отсчитываемая вдоль оси градиентного образца). ДЛину периодичности обозначим 2 I,р.

Таким образом,луч, вошедший в градиентный образец на расстоянии r о от оси, выйдет из него параллельна оси на том же удалении от нее на расстоянии i. от входного торца.

Образец длиной I, = 7/g с идеальным распределением показателя прелом" г ления n =n . Sech gr преобразует плосо кий фронт в плоский (фиг. 1 ). Образец большей длины преобразует плоский волновой фронт в сходящийся с одним осевым экстремумом, образец длиной

L + Ь создает на выходе расходящийся волновой фронт с одним осевым экстремумом.

Для среды с распределением показателя преломления, отличным от идеального, характер волнового фронта на выходе отличается. При некоторой длине образца фронт будет сходящимся.

Для образца меньшей длины на волновом фронте появляются внеосевые экстремумы, которые соответствуют геометрическим местам точек выхода лучей, Ъ параллельных оси. При уменьшении длины образца положение экстремумов относительно оси изменяется. Расстояние от оси может как увеличиваться, так и уменьшаться ° Одновременно могут наблюдаться несколько экстремумов. Характер волнового фронта в окрестности экстремумов можно определить в интерферометре. Для этого образец помещается в рабочее плечо интерферометра Маха-Цендера. В опорное плечо помещается толстая плоскопараллельная пластинка, которая может вращаться вокруг вертикальной

7749

1;(г,), 10

45 оси з lëe » иван «парный валнанай фронт. Если шп ерфераметр был предварительна настроен на полосу бесконечности шириш, та при введении задержки интерференционные полосы разбегаются из экстремума волнового франта, если фронт в окрестности экстремума расходящийся, и сбегаются к нему, если фронт расходящийся (фиг,2).

Таким образом, при постепенном уменьшении длины образца ° (íàïðèìåð, при постепенном его сошлифовывании)

ОT дл11Hы 1 ц tо длиHы 1 Koордк макс. наты инеасевых экстремумов изменяются, поэтому измеряют расстояние r; ат оси до положения центра геометрического места экстремумов волнового франта. Длина образца, для котсрого имеют место экстремумы волнового фронта, соответствует одной или нескольким половинам длин периодичности для данной высоты входа луча в образец, поэтому длину периодичности траектории лучей 1, для высоты

1 входа луча r; определяют по формуле

I.; (r;)

2 где K = 1,2,... N(N — величина, зависимая от максимальной длины градана).

Указанные закономерности в преобразовании плоского волнового франта справедливы и для нескольких образцов, помещенных в интерферометр одновременно. Бдлее того, указанные особенности преобразования. плоского волнового фронта сохраняются и для сред с произвольной осевой симметрией распределения показателя преломления. Геометрические места точек экстремумов волнового фронта представляют собой линии постоянного значения показателя .преломления. Например, для плоскопараллельной пластины с градиентом показателя преломления в плоскости, перпендикулярной оси падающего фронта, геометрические места экстремумов представляют собой прямые линии (фиг.5). 1фи этом распределение показателя преломления при общем его уменьшении от центра к периферии образца имеет участки с неизмененными значениями показателя преломления (фиг.3).

Проведя измерения для всех длин

1; граданов, получим зависимость 1.;

5 14 от r>, по которой судят о длине периодичности траектории лучей н градане для произвольной высоты входа луча в градан.

На фиг.7 показаны зависимости длины периодичности траекторий лучей от высоты входа для градана из стекла ПГ-1. Диапазон изменения длин для образца, прошедшего ионообменную обработку в течение 8,6 ч, составляет 26, 18 — 12,89 мм. При погрешности измерения длины -1:0,005 мм максимальная относительная погрешность составляет величину 0,05 .

Точность измерения геометрического места точек экстремумов волнового фронта определяется экспериментально. При измерении диаметров калиброванных образцов диаметром 0,5, 1, 1,5 мм в регистрирующей оптической системе, состоящей из горизонтального микроскопа ИГ с окуляр-микро,метром МОВ-1-15 и объективом 3 (общее увеличение 45 ), абсолютная х погрешность измерения диаметрон в делениях окуляр-микрометра составляет 12 дел. Диаметрь1 образцов н делениях составляют соответственно

230, 460 и 690 дел. Относительная погрешность измерения диаметров соответственно 0,9, 0,4, 0,3 .

Так как измеряется относительное расстояние центров. геометрических мест экстремумов волнового фронта или его квадрат, то погрешность измерения не превышает 101.

На фиг.8 показаны измеренные зависимости длины периодичности от высоты входа для граданон из стекла

ОФЗ-1. Разброс диаметров н делениях от 460 до 464 дел. В пределах погрешности измерений с учетом разброса диаметров заготовок граданы идентичны в пределах погрешности одновременно проведенных измерений, В качестве источника излучения использовался

Не-Cd-лазер с рабочей длиной волны

37749 6

486 нм. Хроматические аберрации длины периодичности траекторий лучей практически отсутствуют.Это находится в соответствии с соотношение

В (3.). Измерения указанной зависимости для граданов на основе таллийсодержащего стекла ОТФ-944, проведенные на длинах волн 486 и 628,3 нм, показаны на фиг.9.

Формула из обретения

Способ измерения длины периодичности траекторий лучей в граданах, включающий пропускание светового потока через граданы параллельно их оси, регистрацию прошедшего светового потока, по результатам которой судят о длине периодичности траекторий лучей в граданах, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения точности и производительности измерений, пропускают световой поток через граданы с различной длиной 1„, где — число граданов, при регистрации прошедшего светового потока измеряют форму его волнового фронта путем формирования из прошедшего светового потока интерференционного поля полос равной толщины и измерения координаты r, внеосевых экстремумов интерференционного поля каждого градана, затем определяют длину периодичности траекторий лучей

L, для высоты входа луча г; в каждом градане по формуле

40 где К = 1,2,...,N;

И вЂ” величина, определяемая максимальной длиной градана, и строят зависимость L от r, а о

1 длине периодичности траекторий лучей

45 в градане для произвольной высоты входа луча в градан г судят по этой зависимости.

1437749

)437749

l7,2

1437749

4р, /мж7

1437749

14

fg у2

02

Р е f0

PUP. 11

Со ст а в и тель С . Голуб ев

Корректор Л. Пилипенко

Гехред А.Кравчук

Редактор A.Îãàð

Заказ 5888/43

Тираж 847 Подписное

ВНИ11ПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Про ектная, 4