Устройство для измерения фотоупругих постоянных материалов

 

Использование: в фотоэлектронной технологии , при производстве интегрально-оптических , акустооптических устройств и исследовании пленочных волноводов. Сущность: предложенное устройство включает измерительную призму, находящуюся в контакте с волноводом, двух оптических каналов , посредством которых при различных механических нагрузках материала волновода можно наблюдать и полосы равной толщины в контакте,и картины темных т-линий, возникающих в отраженном свете за счет ввода определенных угловых компонентов подающего света в волновод. Применение призмы с разделительной паковкой и двух типов нижерзсположенных жидкостей для двух каналов повышает контраст и точность измерений.3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 6 01 N 21/41

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4787572/25 (22) 22.12.89 (46) 15.09.92. Бюл. ¹ 34 (71) Могилевское отделение Института физики АН БССР (72) B.М.Кульбенков, В.Г!.Редько и Л.M.Øòeéнгарт (56) Shuster E„Reitmayei F. Glastechlshe Ber.

1961. Bd. 34, ¹ 33, р. 130.

Авторское свидетельство СССР

N 1404908, кл. G 01 N 21/41. 1983. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФОТОУПРУГИХ ПОСТОЯННЫХ МАТЕРИАЛОВ (57) Использование: в фотоэлектронной технологии, при производстве интегрально-опИзобретение относится к оптике, акустооптике и может использоваться, в частности, при определении физических характеристик новых оптических и акустооптических материалов, применяющихся в планарной технологии, исследовании планарных оптических элементов, в которых в процессе работы наводится искусственная анизотропия, определении величины механических напряжений, присутствующих в поверхностных слоях.

Известно устройство в виде рефрактометра ИРФ-23 для измерения показателя преломления (ПП) материала поверхностного волноводного слоя образца. Устройство содержит монохроматический источник света, поляризатор, объектив, измерительную призму, угломерное устройство, связанное со зрительной трубой. Между образцом и измерительной призмой помещена иммер„„. Ж ÄÄ 1762206A1 тических, акустооптических устройств и исследовании пленочных волноводов, Сущность: предложенное устройство включает измерительную призму, находящуюся в контакте с волноводом, двух оптических каналов, посредством которых при различных механических нагрузках материала волновода можно наблюдать и полосы равной толщины в контакте,и картины темных m-линий, возника:ощих в отраженном свете за счет ввода определенных угловых комгонентов подающего света в волновод. Применение призмы с разделительной паковкой и двух типов нижераспаложенных жидкостей для двух каналов повыщает контраст и точность измерений. 3 ил. сионная жидкость, В устройстве свет вводится в полноводный слой через торец. а выводится измерительной призмой. Однако такое устройство не позволяет измерять изменение ПП материала волноводного слоя, вызванного приложенным к нему известным одноосным механическим напряжением.

Известно устройство для измерения фотоупругих постоянных оптических материалов, собранное по принципу интерференционной установки, в которой к образцу приложен известный изгибающий момент.

Устройство является сложным и громоздким, Оно не позволяет измерять фотоупругие постоянны. в поверхностных слоях толщиной менее 100 мкм иэ-за размытия интерференционной картины вследствие дифракции света на краю образца. Если поверхностный слой имеет градиент ПП B Ilo1762205 п =пз, а = arcsin

2Пг! (3) 45

55 а перечном направлении, то при распространении света вдоль слоя на р-сстояние 2-3 мм, становится невозможно идентифицировать интерференционные полосы в картине интерференции опорного и предметного пучков, Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения фотоупругих постоянных оптических материалов. Устройство содержит источник монохроматического излучения, коллиматор, блок приложения одноосного механического напряжения к образцу, измеритель механических усилий, угломерное устройство, связанное со зрительной трубой для наблюдения света, прошедшего через образец.

Образец выполнен в виде прямой треугольной призмы. Однако приведенное устройство не позволяет вводить свет в вол новодный слой и выводить из него. Таким образом, устройство не позволяет провести зондирование светом воиноводного слоя с целью измерения изменения ПП этого слоя под воздействием механического напряжения.

Целью изобретения является измерение фотоупругих постоянных материалов поверхностных волноводных слоев. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения фотоупругих постоянных материалов, содержащем источник монохроматического излучения, коллиматор, поляризатор, блок приложения известного одноосного механического напряжения к образцу, измеритель угла выхода луча из образца дополнительно содер>кится, установленный на образце призменный элемент связи с разделительной канавкой, ориентированной по направлению распространения излучения, по обе стороны которой помещены иммерсионные жидкости с показателями преломления п и п2

nz = (и cos p(n> — п sin p) +

+ п э.п (2) где n. ns, пр — показатели преломления материалов слоя подложки и призменного элемента связи соответственно, p — угол падения света на границу призменный элемент-иммерсионная жидкость. В предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом содержится дополнительно призменный элемент связи, который приводится в контакт с измеряемым образцом. На поверхности призменного элемента, обращенной к поверхности образца, выполнена канавка, делящая рабочую поверхность

40 призмы на две равные части. Такой вид призменного элемента связи позволяет ввести в зазор между волноводом и призмой две иммерсионные жидкости с различными

ПП, Канавка препятствует перемешиванию жидкостей при изгибе образца во время его нагружения.

При возбуждении волноводных мод с помощью призменного элемента связи через воздушный зазор создается большое механическое давление на волновод со стороны призмы, прижимаемой к волноводу, с максимумом нагрузки в пятне возбуждения.

Вследствие локального фотоупругого эффекта может возникнуть искажение эффективных ПП измеряемых волноводных мод.

Для того, чтобы обеспечить минимальное усилие при>кима призмы к волноводу, при котором сохраняется четкая видимость темных m — линий в зрительную трубу, ПП иммерсионной жидкости подбирают равным

ПП материала подложки п1 = n>, При введении призменного элемента связи в контакт с волноводом и при приложении к образцу изгибающего момента зазор между призмой и волноводом, заполненный иммерсионной жидкостью, становится не плоскопараллельным, О величине и направлении клина судят по количеству и направлению полос равной толщины в картине интерференции получаемой при отражении света от системы призма-слой иммерсионной жидкости — волновод. Максимальный контраст интерференционной картины будет обеспечен при выполнении соотношения (2), при этом коэффициент отражения от системы призма-зазор, заполненный иммерсионной жидкостью с ПП, равным п, — волноводный слой при некоторых толщинах зазора равен нулю. Величина угла а . клина иммерсионной жидкости рассчитывается по формуле где К вЂ” число интерференционных полос; А— длина стороны клина, Полосы при этом располагаются параллельно ребру клина. С целью параллельного выполнения измерений m — спектра волновода и контроля за клиновидностью зазора и таким образом одновременного использования двух разных иммерсионных жидкостей для предотвращения их смешивания на рабочей поверхности измерительной призмы изготовлена цилиндрическая канавка, расположенная параллельно плоскости падения света и делящая рабочую поверхность приз17 >2206

35

40 мы на две ргвнь е части. При этом одна половина призмь: (иммерсионная жидкость в зазоре с ПП, равным п1 используется для измерения ПП волноводных мод), а вторая (иммерсионная жидкость в зазоре с ПП, равным п2) — для контроля за величиной и направлением клина в зазоре. Указанное выше направление канавки на поверхности призмы позволяет добиваться наблюдения интерференционной полосы наибольшего порядка при меньших величинах угла при вершине клина путем использования максимального размера зонь контакта призмаволновод, Например, если п2 =- ".,58, то при угле клина 6,5 полоса 2-го порядка возникает на расстоянии l =- 10 мм от вершины клинг Для длинь! волны 0,5 мкм. При появлении полос интерференции. пересекающих плоскос ь падения светг, необходимо механической корректировкой прижима призменног0 элемента связл к волноводноMv слою дббитьсЯ исчезновениЯ этих линиЙ.

На фиг. 1 представлен приэменный элемент связи; на фиг. 2 и 3 — схема нагружающего устролства и оптическая схема устройства соответственно.

Предлагаемое устройство содержит элемент связи в виде призмы 1, в оснсвании которой лежит тргпеция с одной боковой стороной, перпендикулярной ее основаниям. На основанли призмы (ргоочей поверхности) выполнена канавка 2, делящая эту поверхность на две равные части(поверхности) 3, 4. Поверхность кангвкл имеет цилиндрическую форму. Призма 1 прижата к образцу 5 контактным устроиством 6, Ме>кду призмой и образцом находятся иммерсионные жидкости 7, 8. Нагружающее устройство с стоит из жесткой рамы 9, упругого элемента 10, тензорезисторов 11, нагружающего винта 12, шарового шарнира

13, нагрух<ающего элемента 14, штока 15.

Оптическая часть устройства содержит источник монохраматического излучения 16, делительный кубик 17, длиннофакусную линзу 18, поворотное зеркало 19, коллиматор 20, поляризатор 21, поворотное зеркало

22, лупу 23, зрительную трубу 24. При помощи штока 15 нггружающее устройство может быть установлено на рефрактометре

ИРФ-23, модифицированная зрительная труба которого используется для наблюдения гп-линий волноводных мод и выполнения измерений, Предлагаемое устралство работает следующим образом. Коллимированный пучок от источника манохроматического излучения 16 с длиной волны ).=- 0 589 мкм делится кубиком 17 .-а два пучка равной интенсивности. Первь и пучок через каллиматор 20, поляризатор 21 направляется на поверхность 4 с иммерсионной жидкостью 7 (п ) под углом возбуждения аолноводных мод.

Второй пучок через длиннофокусную линзу

18, поворотное зеркало 19, направляетсч на поверхность 3 с иммерсионной жидкостью

8 (п2). С помощью зеркала 22 и лупы 23 во втором пучке производится наблюдение интерференционных полос равной толщины, которые пересекают плоскость падения света. Путем механической корректировки прижима призменного элемента связи к вагноводному слою добиваются исчезновения полос интерференции. В первом пучке наблюдаются темные m-линии спектра валноводиых мод. В зрительную трубу рефрак- тометра 24, соединенную с угломерным устройстьом производится измерение углов, под которыми видны m-линии, относительно перпендикуляра к выходной грани призмы. После приложения к образцу известного одноосного механического напряжения 0, повторяют измерения, onисгнные выше. Нагружение образца проводится с помощью винта 12 и нагружающега элемента 14. Датчик механических усилий состоит. из упругого элемента 10, из отовленного из стали и наклеенных на нега 4-х фольгавых гензорезисторов типа t ФКТК, Тензорезисторы вклачень ",а с;<еме полного моста сопротивлений. Сила тока ргзбгланса тензомоста подается нг цифровой комбинированный прибор. Тензоэле.лент кглибруетс>-, с помощью Ооргзцавых Гирь.

Пример конкретного выполнения ус-,—

ООЙСтва.

Призменный элемент связи изготавливался из стекла ТК21 в виде призмы, в основании которой лежит прямоугольный треугольник с углам 60, Рабочая поверхность-призмы имела размеры 10х5 мм. Канавка имела цилиндрическую форму с радиусом 0,5 мм, Образцы изготавливались из стекла К8, в форме плоскопараллельных пластинок с размерами 100х10х2 мм. ПП материала нг поверхности волноводного слоя равнялся и = 1.52569; и р = 1,65680; п1 =

=1,5630; и = ",58377; p = 600. Линза 18 имела фокусное расстояние 50 см и освещала весь слой иммерсионной жидкости с ПП щ. Призменный элемент связи с образцом и нагружающим устройствам устанавливался на рефрактометре ИРФ-23. При этом ось вращения зрительной трубы совпадала с поверхностью валнаводного слоя, была параллельна бал ьв:ому ребру образца и проходила через пятно возбуждения волноводных мод. С целью получения автоколлимационного изображения ат призменного

1762206 злементэ связи зрительная труба рефрактометра жестко крепилась на переходнике, который устанавливался на прежнее место зрительной трубы.

Таким образом, наличие в заявляемом устройстве призменного злемента связи с канавкой на поверхности и двух иммерсионных жидкостей позволяет измерять фотоупругие постоянные материалов поверхностных волноводных слоев путем обеспечения строго одноосного напряжения растяжения волноводного слоя при сохранении четкой картины темных m-линий и исключения искажения результатов измерений, вследствие возникновения клина иммерсионной жидкости в направлении распространения -вета, Формула изобретения

Устройство для измерения фотоупругих постоянных материалов, содержащее последовательно расположенные и оптичеcêè связанные источник монохроматического света, поляризатор, фокусирующую линзу, измерительную призму, измеритель угла выхода луча света из призмы и блок приложения одноосного механического напряжения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что. с целью измерения фотоупругих постоянных волноводных слоев, сформированных на прозрачной подложке, на основании призмы выполнена разделительная канавка, по обе стороны которой размещены иммерсионные жидкости с показателями преломления

5 n> =- ns, Ag = (и соз ф(пр и slfl p) +

+и 3!п м1

10 где и, — показатель преломления подложки; и, п — показатели преломления материалов волноводного слоя и призмы соответственно; р-угол падения света на границу между

15 призмой и иммерсионной жидкостью, призма установлена так, что ось канавки совпадает с направлением распространения света, основание призмы пространственно совмещено с прозрачной подложкой

20 со стороны, на которой сформирован волноводный слой, призма снабжена средством для регулировки клина, возникающего при указанном совмещении, при этом устройство дополнительно содержит оптический

25 узел наблюдения интерференционных полос равной толщины в слое иммерсионной жидкости с показателем преломления п2

1762206

5 7,8

Составитель Г, Румянцева

Техред М,Моргентал Корректор Н. Тупица

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3255 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5