Устройство для измерения оптических разностей хода в фотоупругих материалах

 

Использование: в измерительной технике для определения оптических разностей хода, например, поляризационно-оптическом методе механики деформируемого твердого тела. Сущность: устройство, содержащее двухлучевой интерферометр с полупрозрачным зеркалом в качестве светоделителя и светообъединителя и двумя непрозрачными зеркалами, двумя поляризаторами с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации по одному в каждом плече интерферометра, компенсатор, анализатор и жидкостную кювету с образцом из прозрачного материала, снабжено немонохроматическим источником излучения, дополнительным поляризатором на входе в интерферометр, дополнительным зеркалом, эталонной пластиной в сравнительном плече, оптически активным компенсатором Бабине-Солейля, установленным непосредственно перед анализатором. Часть оптической системы, включающая в себя полупрозрачное зеркало, два поляризатора в плечах интерферометра, образец и эталонную пластину, два непрозрачных зеркала и дополнительное зеркало, помещена в одну кювету с жидкостью, показатель преломления которой близок к показателю преломления исследуемого образца. Кювета имеет две прозрачные стенки, перпендикулярные направлению луча, для входа света в интерферометр и выхода из него. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения оптических разностей хода, например, в поляризационно-оптическом методе механики деформируемого твердого тела. Цель изобретения повышение достоверности измерений оптических разностей хода. Поставленная цель достигается тем, что известное устройство, содержащее последовательно установленные и оптически связанные источник излучения, двухлучевой интерферометр с поляризаторами с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации в каждом плече интерферометра, компенсатор, анализатор и жидкостную кювету для исследуемого материала, имеет источник излучения, выполненный немонохроматическим, снабжено дополнительным поляризатором, плоскость пропускания которого составляет равные углы с плоскостями пропускания поляризаторов в плечах интерферометра, установленным за источником по ходу излучения, эталонной пластиной, установленной в одном из плеч интерферометра, дополнительным зеркалом, установленным под углом 45^о к плоскости интерферометра на его выходе, а компенсатор выполнен из оптически активного материала и расположен непосредственно перед анализатором. Часть оптической системы, включающая интерферометр и дополнительное зеркало, размещена в кювете с жидкостью, показатель преломления которой близок к показателю преломления исследуемого материала. Кроме того, в качестве немонохроматического источника использована ртутная лампа высокого давления с непрерывным спектром излучения, а компенсатор выполнен в виде оптически активного компенсатора типа Бабине-Солейля. На фиг. 1 представлена оптическая схема устройства и состояния поляризации света на различных участках схемы; на фиг. 2 показаны отдельно все зеркала устройства и лучи линейно поляризованного света в сравнительной (а) и рабочей (б) ветвях интерферометра, отражающиеся от этих зеркал. Установка (см. фиг. 1) содержит расположенные на оптической оси 0-0₁ осветитель 1-ртутную лампу с непрерывным спектром излучения, объектив 2, преобразующий поток света в параллельный световой пучок, внешний поляризатор 3, плоскость поляризации которого наклонена на угол 45^о относительно вертикальной оси, стеклянную пластинку 4, образующую прозрачную стенку кюветы 5, в которой установлены другие элементы устройства. Объем кюветы 5 залит иммерсионной жидкостью, показатель преломления которой близок к показателю преломления исследуемого прозрачного материала. Далее по ходу луча размещается полупрозрачное зеркало 6, представляющее собой стеклянную пластинку с посеребренной поверхностью S. Полупрозрачное зеркало 6 установлено вертикально под углом 45^о к оптической оси 0-0₁. Полупрозрачное зеркало 6, разделяя световой поток на два луча (луч I и луч II), приводит к образованию сравнительного С и рабочего Р плеч интерферометра Майкельсона с оптическими осями О₁-С и О₁-Р соответственно. Ось 0₁-С является продолжением оси 0-0₁, ось 0₁-Р перпендикулярна им. Указанные оси определяют плоскость интерферометра, на которой расположены детали установки. Непосредственно за полупрозрачным зеркалом 6 в рабочем и сравнительном плечах установлены поляризаторы 7 и 8, плоскости поляризации которых ориентированы по отношению к распространяющемуся световому потоку взаимно перпендикулярно. Поляризаторы 7 и 8 изготовлены из поляроидных пленок одинаковой толщины. После поляризатора 8 на оптической оси 0₁-С имеется стеклянная пластинка 9, параллельная полупрозрачному зеркалу 6 и идентичная ему по марке стекла и толщине. Далее по ходу лучей в ветви Р за поляризатором 7, а в ветви С за стеклянной пластинкой 9, размещаются соответственно исследуемый образец 10 и эталонная пластина 11 исследуемого прозрачного материала. Применительно к разделу механики деформируемого твердого тела, называемому "фотоупругость", в рамках метода "замораживания деформаций" исследуемый образец 10 представляет собой пластинку прозрачного материала с зафиксированным искусственным двойным лучепреломлением, вызванным воздействием механических нагрузок. Поэтому исследуемый образец 10 называется "нагруженным срезом". Обратно, эталонная пластина 11, полученная из того же материала, но оптически изотропного ввиду отсутствия механических напряжений, называется "ненагруженным срезом". Срезы 10 и 11 имеют одинаковую толщину, но оптическая анизотропия среза 10 вызывает при прохождении света в плечах Р и С оптическую разность хода, которая измеряется. Рабочую и сравнительную ветви интерферометра ограничивают непрозрачные зеркала 12 и 13, отражающие свет обратно к полупрозрачному зеркалу 6. Зеркало 13 служит также для настройки прибора. Выход света из интерферометра происходит по пути 0₁-0₂, являющемуся продолжением оптической оси 0₁-Р. Здесь установлено дополнительное непрозрачное зеркало 14. Оно параллельно оптической оси 0-0₁ и наклонено по отношению к плоскости интерферометра на угол 45^о таким образом, чтобы выходящие из интерферометра лучи света отражались вниз под прямым углом к плоскости интерферометра. На оптической оси 0₂-0₃ за дополнительным зеркалом 14 по направлению распространения света размещаются: стеклянная пластинка 15, перпендикулярная оси 0₂-0₃ и выполняющая роль второй прозрачной стенки кюветы 5, оптический компенсатор типа Бабине-Солейля 16 и анализатор 17. Прошедшее через анализатор 17 излучение с помощью системы линз и зеркал может быть направлено в окуляр или на экран для наблюдения за интерференционной картиной. Описанный пример конкретного выполнения устройства определяется тем, что при использовании источника белого света должна быть обеспечена максимальная тождественность обеих ветвей интерферометра (для сведения к минимуму влияния дисперсии света). В предложенном устройстве это достигается за счет исключения в плечах интерферометра всех границ раздела воздух диэлектрик путем заливки объема специальной жидкостью, сохранения в плечах лишь функционально необходимых элементов оптической схемы, требования их попарной идентичности. При таких условиях компенсация оптической разности хода двух линейно поляризованных лучей, прошедших плечи интерферометра, реализуется только при взаимно ортогональной поляризации данных лучей и в случае применения внешнего двупреломляющего компенсатора (например, Бабине-Солейля), обеспечивающего также высокую точность измерений. Устройство работает следующим образом. Осветитель 1 излучает неполяризованный свет. После прохождения внешнего поляризатора 3, плоскость поляризации которого наклонена на угол 45^о относительно плоскости интерферометра (такая ориентация поляризатора 3 обеспечивает равенство интенсивностей лучей I и II) пучок света становится линейно поляризованным. Его удобно сразу представить как результат сложения двух синфазных плоскополяризованных волн с взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний световых векторов А₁ и А₂ в горизонтальном и вертикальном направлениях соответственно. Каждая из этих волн частично отражается и частично проходит через слой серебра S на полупрозрачном зеркале 6. На входе в рабочее и сравнительное плечи интерферометра установлены поляризаторы 7 и 8 с вертикальной и горизонтальной плоскостями пропускания соответственно. Поэтому в ветвь Р проходит только световая волна с плоскостью колебаний, ориентированной вертикально, а в ветвь С-только горизонтально поляризованная световая волна. В сравнительном плече интерферометра находятся оптически изотропные элементы, поэтому после отражения от зеркала 13 луч 1 света с горизонтальной линейной поляризацией беспрепятственно проходит через поляризатор 8 в направлении полупрозрачного зеркала 6. Отразившись от зеркал 6 и 14, этот луч распространяется в направлении О₂-О₃, причем его световой вектор А₁ теперь параллелен оптической оси 0-0₁. В рабочем плече интерферометра установлен исследуемый двупреломляющий образец 10. Образец 10 ориентирован так, что одна из его главных оптических осей в точке измерения совпадает с плоскостью пропускания поляризатора 7. Таким образом луч II света проходит в ветви Р до зеркала 12 и обратно без изменения направления поляризации. После прохождения полупрозрачного зеркала 6 и отражения от дополнительного зеркала 14 указанный луч распространяется вдоль оси 0₂-0₃ и характеризуется световым вектором А₂, перпендикулярным вектору А₁. Вышедшие из интерферометра световые потоки, совмещенные в пространстве, но имеющие взаимно ортогональную поляризацию, проходят через компенсатор 16, главные оптические направления которого совпадают с векторами А₁ и А_2. Далее потоки попадают в анализатор 17, чье направление поляризации составляет угол 45^о с направлениями колебаний световых векторов А₁ и А₂. Вариантов ориентации анализатора 17 два: если после прохождения анализатора не имеющие сдвига фаз световые волны усиливают друг друга, то наблюдается "светлое поле", наоборот, если в результате интерференции имеет место минимум интенсивности света, то говорят, что анализатор настроен на "темное поле". В оптической схеме устройства предусмотрено дополнительное непрозрачное зеркало 14 (см. фиг. 2). Необходимость его введения объясняется следующим. Так как в рабочую и сравнительную ветви интерферометра проходят лучи только с вертикальной и только с горизонтальной поляризацией соответственно, то такие лучи удобно рассматривать в отдельности. На пути к зеркалу 14 луч А₁ (см. фиг. 2а) один раз походит через полупрозрачное зеркало 6 и один раз отражается от него, и луч А₂ (см. фиг. 2б) один раз отражается от полупрозрачного зеркала 6 и один раз проходит через него. При первом отражении световой вектор А₁ лежит в плоскости падения луча 1 на полупрозрачное зеркало 6, при первом отражении световой вектор А₂ перпендикулярен плоскости падения луча II на полупрозрачное зеркало 6. Известно, что в этом случае световые волны А₁ и А₂ распространяются со сдвигом фаз, и их интенсивность различна, несмотря на то, что при входе в интерферометр они имели одинаковую интенсивность и были в одной фазе, а оптическая разность хода в плечах интерферометра отсутствовала. Дополнительное зеркало 14, ориентированное раннее описанным образом, уравнивает в условиях оба луча. Второе отражение луч II претерпевает (2б), когда световой вектор А₂ лежит в плоскости падения света на зеркало 14, и наоборот, у луча I световой вектор А₁ (фиг. 2а) перпендикулярен плоскости падения на зеркало 14. Таким образом, на выходе из интерферометра наблюдаются две синфазные плоскополяризованные волны равной интенсивности. Порядок использования прибора. Первоначально прибор настраивается на нулевую разность хода. Для этого удаляются срезы 10 и 11 (см. фиг. 1) и компенсатор 16, а анализатор 17 устанавливается в положение "темное поле". Рабочий объем кюветы 6 заливается иммерсионной жидкостью. Если положение зеркала 13 не отрегулировано, то между лучами I и II есть оптическая разность хода, приводящая к тому, что в белом свете за анализатором 17 наблюдается цветная картина. Это связано с тем, что при данной разности хода одни световые волны П₁ и А₂ с данной длиной волны, интерферируя, уничтожают друг друга, а другие волны А₁ и А₂ с другой длиной волны дают максимум интенсивности. Путем перемещения зеркала 13 находят такое его положение, при котором имеет место равенство двух плеч интерферометра и, следовательно, оптическая разность хода лучей I и II равняется нулю. Тогда для любой длины волны световые волны А₁ и А₂ находятся в фазе, а так как анализатор 17 настроен на "темное поле", то наблюдатель видит в поле зрения черную полосу. При дальнейшем использовании установки положение зеркала 13 не изменяется. Для проведения измерений в рабочее плечо интерферометра вводится исследуемый нагруженный срез 10, а в сравнительное плечо помещается эталонный ненагруженный срез 11. Анализатор 17 по-прежнему находится в положении "темное поле". После внесения срезов 10 и 11 между лучами I и II возникает оптическая разность хода. Область наблюдения, бывшая до этого черной, становится цветной. Для измерения искомой разности года в прибор устанавливается оптический компенсатор 16 Бабине-Солейля. При смещении клиньев компенсатора 16 создается дополнительная регулируемая оптическая разность хода между световыми волнами А₁ и А₂, причем противоположная по знаку разности хода, возникшей в ветвях интерферометра. Процесс компенсации заканчивается при равенстве указанных разностей хода. Момент полной компенсации однозначно определяется по появлению черной полосы. В этом положении берется отсчет по шкале компенсатора 16. Для определения оптических свойств исследуемого среза 10 по второму главному оптическому направлению необходимо повернуть этот срез вокруг оси О₁-Р на 90^о и провести новое измерение оптической разности хода. В поляризационно-оптическом методе такие измерения называются измерениями абсолютных разностей хода в фотоупругих материалах и позволяют найти раздельно компоненты напряженного состояния. Использование одной жидкостной кюветы упрощает и удешевляет изготовление устройства, сокращает его габариты.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ РАЗНОСТЕЙ ХОДА В ФОТОУПРУГИХ МАТЕРИАЛАХ, содержащее последовательно установленные и оптически связанные источник излучения, двухлучевой интерферометр с поляризаторами с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации в каждом плече интерферометра, компенсатор, анализатор и жидкостную кювету для исследуемого материала, отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности измерений, источник излучения выполнен немонохроматическим, устройство снабжено дополнительным поляризатором, плоскость пропускания которого составляет равные углы с плоскостями пропускания поляризаторов в плечах интерферометра, установленным за источником по ходу излучения, эталонной пластиной, установленной в одном из плеч интерферометра, дополнительным зеркалом, установленным под углом 45^o к плоскости интерферометра на его выходе, а компенсатор выполнен из оптически активного материала и расположен непосредственно перед анализатором, причем часть оптической системы, включающая интерферометр и дополнительное зеркало, размещена в жидкостной кювете. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве немонохроматического источника использована ртутная лампа высокого давления с непрерывным спектром излучения. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что компенсатор выполнен в виде оптически активного компенсатора типа Бабине-Солейля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2