Способ определения показателя преломления прозрачных твердых тел

 

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при исследовании оптико-физических характеристик оптических кристаллов и оптических элементов. Целью изобретения является повышение точности измерения в условиях, когда толщина пластин заранее не известна. В дополнение к регистрации значения изменений оптической разности хода в монохроматическом свете при поворотах исследуемой пластины определяют значения изменений оптической разности хода в монохроматическом свете при поворотах эталлонной пластины и значения изменений оптической разности хода в белом свете при перестановках исследуемой пластины в плечах интерферометра белого света. 3 ил.

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для исследований оптико-физических параметров кристаллов и оптических стеклянных элементов. Цель изобретения - повышение точности измерений. На фиг. 1 показан процесс изменения оптической разности хода при поворотах пластин в диапазоне углов от 0^о до α; на фиг. 2 и 3 - интерференционные схемы, использующиеся для измерения показателя преломления прозрачных плоскопараллельных пластин. Способ осуществляется следующим образом. Предварительно из исследуемого твердого тела (кристалл или кусок стекла) вырезают образец в виде плоскопараллельной пластины, характеризующейся в общем случае неизвестными величинами толщины d и показателя преломления n (фиг. 1). Измерения осуществляются в три этапа. На первом этапе исследуемую пластину скрепляют с эталонной пластиной, характеризующейся известными значениями показателя преломления n_o и толщины 1, под углом 180^о и облучают полученную конструкцию из двух пластин лучами монохроматического света. Для этих целей из одного монохроматического светового пучка формируют первый, второй, третий и четвертый когерентные монохроматические световые пучки, характеризующиеся длиной волны излучения λ, при этом первый световой пучок пропускают через перпендикулярно к нему установленную исследуемую пластину, а третий световой пучок - через перпендикулярно к нему установленную эталонную пластину, сводят первый и второй световые пучки с образованием первой интерференционной картины, а также третий и четвертый световые пучки с образованием второй интерференционной картины. Далее фиксируют величины порядка интерференции для первой и второй интерференционных картин и осуществляют поворот исследуемой и эталонной пластин на угол α. Вновь фиксируют величину порядка интерференции для первой и второй интерференционных картин и определяют для этих картин величины изменений порядка интерференции соответственно N₁ и N₂. Затем на втором этапе облучают исследуемую пластину пучками белого света. Для этих целей из одного пучка белого света формируют первый и второй когерентные пучки белого света, при этом первоначально пропускают первый пучок белого света через перпендикулярно к нему установленную исследуемую пластины и сводят первый и второй пучки белого света с образованием третьей интерференционной картины. Фиксируют величину порядка интерференции (величину смещения ахроматической полосы в интерференционной картине) и осуществляют перестановку исследуемой пластины во второй пучок белого света, устанавливая ее снова перпендикулярно световому пучку. Вновь фиксируют величину порядка интерференции (по положению ахроматической полосы) и определяют результирующую величину порядка интерференции N₃ для третьей интерференционной картины (по результирующему смещению ахроматической полосы). На третьем этапе осуществляют измерение величины показателя преломления окружающей среды n_b (при проведении измерения в вакууме величина показателя преломления полагается равной единице) и определяют величину показателя преломления исследуемого образца по формуле n= n_b· 1+ , (1) где cosα= 1- . При необходимости определяют и величину толщины исследуемой пластины по формуле d= . (2) Способ осуществляют с использованием двух интерференционных схем (фиг. 2 и 3). На первом этапе используется схема (фиг. 2), которая содержит первый лазер 1, установленные последовательно с ним первую, вторую и третью светоделительные пластинки 2, 3 и 4 и первое зеркало 5, обеспечивающее формирование соответственно второго, первого, третьего и четвертого когерентных монохроматических световых пучков. Кроме того, интерференционная схема содержит второе зеркало 6 и четвертую светоделительную пластинку 7, обеспечивающие сведение первого и второго световых пучков, первый фотопреобразователь 8, обеспечивающий регистрацию первой интерференционной картины, третье зеркало 9 и пятую светоделительную пластинку 10, обеспечивающие сведение третьего и четвертого световых пучков, второй фотопреобразователь 11, обеспечивающий регистрацию второй интерференционной картины, жестко скрепленные между собой под углом 180^о исследуемую пластину 12, установленную в ходе первого светового пучка, и эталонную пластину 13, установленную в ходе третьего светового пучка, а также преобразователь поворота 14, механически связанный с пластинами 12 и 13 и обеспечивающий осуществление поворота пластин 12 и 13 в диапазоне углов от 0^о до α. На втором этапе используется схема, показанная на фиг. 3. Эта интерференционная схема состоит из лампы накаливания 15, последовательно с которой расположены коллимирующая система 6, шестая светоделительная пластинка 17 и четвертое зеркало 18, обеспечивающие формирование первого и второго когерентных пучков белого света, пятое зеркало 19 и седьмую светоделительную пластину 20, обеспечивающие сведение первого и второго пучков белого света, третий фотопреобразователь 21, обеспечивающий регистрацию третьей интерференционной картины. Кроме того, интерференционная схема содержит второй лазер 22, расположенные последовательно с ним восьмую светоделительную пластинку 23 и шестое зеркало 24, обеспечивающие формирование двух дополнительных монохроматических световых пучков, седьмое зеркало 25 и девятую светоделительную пластину 26, обеспечивающие сведение дополнительных световых пучков, четвертый (дополнительный) фотопреобразователь 27, обеспечивающий регистрацию четвертой (дополнительной) интерференционной картины, а также исследуемую пластину 12, первоначально устанавливаемую в первом пучке белого света (перпендикулярно ему), а затем перемещаемую с помощью преобразователя 28 перемещения во второй пучок белого света, и пластину компенсатора 29, установленную во втором пучке белого света и одном из дополнительных световых пучков и механически связанную с вторым преобразователем 30 поворота, обеспечивающим поворот пластины компенсатора 29. На фиг. 2 и 3 проиллюстрирован лишь один вариант осуществления предлагаемого способа, позволяющий наиболее наглядно продемонстрировать его преимущества. Могут быть использованы и другие интерференционные схемы, показанные на фиг. 2 и 3 могут быть совмещены, что позволит уменьшить число используемых лазеров до одного, а также уменьшить число других используемых оптических элементов. Описанные интерференционные схемы функционируют следующим образом. На первом этапе, когда используется первая интерференционная схема, монохроматический световой пучок лазера 1 делится пластинами 2, 3 и 4 и зеркалом 5 на четыре световых пучка, при этом первый и второй световые пучки сводятся пластиной 7 и зеркалом 6 с образованием первой интерференционной картины (в монохроматическом свете), регистрируемой фотопреобразователем 8. Третий и четвертый световые пучки сводятся пластиной 10 и зеркалом 9 с образованием второй интерференционной картины (также в монохроматическом свете), регистрируемой фотопреобразователем 11. Первоначально пластины 12 и 13 устанавливают перпендикулярно соответственно первому и третьему световым пучкам. Установка может осуществляться путем поиска положения, которому отвечают минимумы значений порядка интерференции для первой и второй интерференционных картин. После завершения установки пластин 12 и 13 осуществляют регистрацию исходных значений порядка интерференции для первой и второй интерференционных картин (с использованием фотопреобразователей 8 и 11), после чего с помощью преобразователя 14 осуществляют поворот пластин 12 и 13 на угол α (α 45^о). После осуществления поворота пластин 12 и 13 вновь осуществляют регистрацию значений порядка интерференции для первой и второй интерференционных картин, после чего определяют значение изменений порядка интерференции для первой и второй интерференционных картин соответственно N₁ и N₂. На втором этапе, когда используется вторая интерференционная схема, пучок белого света от лампы 15 делится пластиной 17 и зеркалом 18 на первый и второй пучки белого света, которые далее сводятся пластиной 20 и зеркалом 19 с образованием третьей интерференционной картины (в белом свете), регистрируемой фотопреобразователем 21. Одновременно монохроматический световой пучок лазера 22 делится пластинкой 23 и зеркалом 24 на два дополнительных световых пучка, которые далее сводятся пластиной 26 и зеркалом 25 с образованием дополнительной (четвертой) интерференционной картины (в монохроматическом свете), регистрируемой фотопреобразователем 27. При установке исследуемой пластины 12 перпендикулярно первому пучку белого света происходит смещение ахроматической полосы в третьей интерференционной картине (в одном направлении). Установка пластины 12 в схеме, изображенной на фиг. 3, осуществляется также, как установка пластин 12 и 13 в схеме на фиг. 2. Для возвращения ахроматической полосы в нулевое положение с помощью преобразователя 30 осуществляют поворот компенсатора 29 так, чтобы ахроматическая полоса установилась в нулевое положение. Для соответствующего положения компенсатора 29 регистрируют исходное значение порядка интерференции для четвертой интерференционной картины. Затем перемещают с помощью преобразователя 29 пластину 28 во второй пучок белого света (установка осуществляется также перпендикулярно второму пучку), в результате чего ахроматическая полоса в третьей интерференционной картине смещается в обратном первоначальному направлении. Для возвращения ахроматической полосы требуется вновь осуществить поворот компенсатора 29, в результате чего ахроматическая полоса возвращается в нулевое положение. После этого повторно регистрируют значение порядка интерференции для четвертой интерференционной картины и определяют величину изменения порядка интерференции (N₃) для дополнительной интерференционной картины, по величине адекватной величине изменения порядка интерференции в третьей интерференционной картине. На заключительном этапе проводят измерения показателя преломления окружающей среды (воздуха), после чего осуществляется расчет величины показателя преломления стекла исследуемой пластины по отношению 1. Величина показателя преломления воздуха может определяться по результатам как прямых, так и косвенных измерений. При необходимости определяют также толщину исследуемой пластины по соотношению (2). Способ основывается на следующих соотношениях. На первом этапе при проведении измерений в монохроматическом свете, когда пластины 12 и 13 устанавливаются перпендикулярно световым пучкам, оптическая разность хода для первой и второй интерференционных картин a₁ʹ, a₂ʹ составит a₁ʹ = d(n-n_b); a₂ʹ = l(n_o-n_b), (3) где d, l - значение толщин исследуемой и эталонной пластин; n, n_o, n_b - значение показателей преломления исследуемой пластины 12, эталонной пластины 13 и окружающей (воздушной) среды. После поворота пластин 12 и 13 на угол α соответствующие значения оптических разностей хода a₁ʺ и a₂ʺ составят a= [n-n_bcos(α-βʹ)] , (4) a= [nn_bcos(α-βʺ)] , (5) где sinβʹ= sinα , sinβʺ= sinα . В соответствии с соотношениями 3-5 измерения порядка интерференции для первой и второй интерференционных картин (при повороте пластин в диапазоне углов от 0^о до α) составляют
N₁= -n - +n (6)
. (7)
Из соотношения 7 непосредственно следует, что величина угла поворота α определена по формуле
α= arccos1- . (8)
На втором этапе при проведении измерений в белом свете, когда пластина облучается белым светом (фиг. 3), оптическая разность хода для третьей интерференционной картины (пластина 12 установлена в первом пучке белого света) a₃ʹ составит
a₃ʹ = d(n - n_b). (9)
При перестановке пластины 12 во второй пучок белого света оптическая разность хода a₃ʺ становится равной
a₃ʺ = -d(n - n_b). (10)
Таким образом, при перестановке пластины 12 изменения порядка интерференции, соответствующие результирующим смещениям ахроматической полосы, составят
N₃= (n-n_b) , (11) откуда
d= . (12)
Подставляя соотношение (12) в (6) и производя преобразования, получим соотношение для расчета величины показателя преломления
n= n1+ , (13) где
z= 1+ . В способе предусматривается использование эталонной пластины, параметры которой l и n_o, могут быть определены предварительно с использованием образцовых средств измерения. Так, толщина эталонных стеклянных пластин и их показатели преломления для случая использования специальных эталонных и измерительных установок могут определяться с точностью не хуже 10^-5. С другой стороны, все остальные параметры, входящие в соотношения (8) и (12) (N₁, N₂, N₃, λ, n_b), могут быть определены или заданы с погрешностями заведомо не хуже 10^-5, поэтому можно ожидать, что результирующие погрешности измерения параметров α, n также не будут хуже (1-2)˙10^-5, т. е. будут по крайней мере на порядок лучше аналогичных значений при использовании известного способа. (56) Иоффе Б. В. Рефрактометрические методы химии. Л. : Химия, 1983, с. 205-207. Авторское свидетельство СССР N 1017978, кл. G 01 N 21/41, 1983.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПРОЗРАЧНЫХ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, заключающийся в формировании первого и второго когерентных монохроматических световых пучков с длиной волны излучения λ , пропускании первого светового пучка через исследуемый образец, выполненный в виде плоскопараллельной пластины, сведении первого и второго световых пучков с образованием первой интерференционной картины, изменении путем поворота исследуемой пластины угла падения на пластину первого светового пучка от 0 ^o до α , измерении величины изменения порядка интерференции N₁ для первой интерференционной картины при изменении угла падения и измерении величины показателя преломления окружающей среды n_b, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения при произвольных толщинах исследуемой пластины, дополнительно формируют из первого монохроматического светового пучка третий и четвертый монохроматические световые пучки, пропускают третий световой пучок через эталонную плоскопараллельную пластину толщиной I с показателем преломления n₀ , скрепленную с исследуемой пластиной под углом 180 ^o, сводят третий и четвертый световые пучки с образованием второй интерференционной картины, измеряют величину изменения порядка интерференции N₂ для второй интерференционной картины при изменении угла падения первого светового луча на вторую исследуемую пластину от 0 ^o до α , затем формируют когерентные первый и второй пучки белого света, пропускают первый пучок белого света через перпендикулярно ориентированную к нему исследуемую пластину, сводят первый и второй пучки белого света с образованием третьей интерференционной картины, выводят исследуемую пластину из первого пучка белого света и устанавливают ее во втором пучке белого света перпендикулярно ему, измеряют величину изменения порядка интерференции N₃ для третьей интерференционной картины при перестановке исследуемой пластины и рассчитывают величину показателя преломления исследуемой среды по формуле
n= n_b 1+ ,
где
α = arccos 1- .

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3