Интерференционный способ измерения показателя преломления в образцах с градиентом показателя преломления

 

Способ обеспечивает однократное прохождение света через образец, помещенный в интерферометр за счет замены одного из зеркал интерферометра на два зеркала, установленных под углом 90^o друг к другу. Регистрируемая интерференционная картина полос равной толщины позволяет получить зависимость значения показателя преломления от координаты в образце.1 ил.

Изобретение касается измерения оптических параметров веществ, в частности способов интерферометрического измерения показателя преломления.

Изобретение может найти применение в различных областях народного хозяйства, где необходимо знание точного значения показателя преломления вещества, в частности в метрологии.

Известен способ измерения зависимости показателя преломления от координаты, заключающийся в просвечивании образца перпендикулярно его оптической оси гауссовым пучком и измерении координат входа и выхода пучка из образца (Ильин В. Г. Карапетян Г.О. и др. Измерение аксиального распределения показателя преломления в заготовках для градиентной оптики. Оптико-механическая промышленность, 1989, N 5, с. 13).

Наиболее близким к предлагаемому (прототип) является патент Великобритании N 1387905, кл.G 01 N 21/46, 1975, включающий освещение образца узким пучком монохроматического света, сканирующим образец, регистрацию интерференционной картины, полученной от взаимодействия опорного светового пучка, отраженного от первой поверхности образца, и тестового светового пучка, отраженного от второй поверхности образца при двукратном прохождении света через образец, восстановление по интерференционной картине разности фаз между опорным и тестовым пучками, по которой судят о показателе преломления образца.

Недостатками данного способа является ограничение области его использования материалами с малыми градиентами показателя преломления, что связано с возможностью реализации способа только в отраженном свете при двукратном прохождении пучка через образец, и низкая точность способа, связанная с необходимостью механического сканирования узким пучком монохроматического света с последующим восстановлением интерференционной картины.

Задачей изобретения является расширение класса исследуемых сред на среды с большим градиентом показателя преломления и повышение точности измерений.

Эта задача решается за счет того, что в интерференционном способе измерения показателя преломления в образцах с градиентом показателя преломления, включающем освещение исследуемого образца, выполненного в виде плоскопараллельной пластины, пучком монохроматического излучения, формирование интерференционной картины двумя отраженными пучками, один из которых проходит через образец, и регистрацию этой интерференционной картины, дополнительно освещающий пучок делят на два пучка с помощью интерферометра, один из пучков направляют через образец на одно из зеркал интерферометра, выполненное в виде двух зеркал, установленных под углом 90^o друг к другу, что обеспечивает однократное прохождение этого пучка через образец, а другой пучок отражают от другого зеркала интерферометра, формируют интерференционную картину полос равной толщины этими двумя пучками, измеряют координаты интерференционных полос в ней с последующим расчетом показателя преломления по формуле n(x)=λ/d·Δk(x)=n_o где n(x) зависимость показателя преломления от координаты; λ длина волны монохроматического света; d толщина пластины; DK(x) зависимость разности порядков интерференции между точками с координатами x и x₀ от координаты x; n₀ известный показатель преломления в точке x₀.

Известно, что для объекта с показателем преломления n(x), помещенного в интерферометр, оптическая разность хода между интерферирующими лучами в интерферометре при однократном прохождении света через образец записывается в виде Δ(x)=K(x)λ=(n(x)-1)d Тогда зависимость показателя преломления от координаты определяется по формуле n(x)=n_o+Δn(x)=(K(x)-K_o)·λ/d+n_o,
где n₀ показатель преломления в точке x₀;
K₀-соответствующий точке x₀ порядок интерференции.

Следовательно, зависимость показателя преломления от координаты дается формулой
n(x)=λ/d·ΔK(x)+n_o
Таким образом получение двух интерференционных картин с обработкой любой из них и определение зависимости номеров интерференционных полос в ней от координаты позволяет определить зависимость значения показателя преломления от координаты в исследуемом образце.

Предлагаемый способ можно реализовать с помощью, например, интерферометра Физо.

На чертеже представлена схема устройства, реализующего способ.

Устройство содержит источник света, создающий монохроматический пучок лучей 1, полупрозрачное зеркало 2, делящее пучок лучей на отраженный (опорный) и прошедший (тестовый) пучки, зеркала 3 и 4, делящие прошедший (тестовый) пучок лучей на два пучка, идущих в противоположных направлениях по одному и тому же пути.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

I. Параллельный пучок монохроматического света 1 в интерферометре (тестовый пучок) дополнительно разделяют на две части с помощью замены одного из зеркал интерферометра на два зеркала 3 и 4, установленных под углом 90^o друг к другу.

II. Устанавливают плоскопараллельную пластину 5, вырезанную вдоль градианта показателя преломления, в пучок света нормально к падающему излучению.

III. Регистрируют две идентичные интерференционные картины, образованные взаимодействием опорного пучка с каждой из двух частей тестового пучка, однократно прошедших через образец (в противоположных направлениях).

IV. Изменяют координаты интерференционных полос в одной (любой) интерференционной картине с последующим определением зависимости номеров интерференционных полос в ней от координаты и определяют зависимость показателя преломления от координаты по формуле
n(x)=λ/d·ΔK(x)+n_o
где n(x) зависимость показателя преломления от координаты;
λ длина волны монохроматического света;
d толщина пластины;
DK зависимость разности порядков интерференции между точками с координатами x и x₀ от координаты x,
n₀ известный показатель преломления в точке x₀.

Точность определения показателя преломления зависит от толщины исследуемого образца и точности определения долей интерференционных полос. Использование, например, стандартного прибора Zygo на базе интерферометра Физо с λ 632 нм, с точностью измерения интерференционной полосы до l/60, толщиной плоскопараллельного исследуемого образца 1 мм и n₀ 1· 51831, измеренного с помощью стандартного рефрактометра Пульфриха на поверхности исследуемой пластины с точностью до 1·10^-5, дает погрешность измерения значения показателя преломления в произвольной точке образца с градиентом показателя преломления не хуже 2·10^-5.

Формула изобретения

Интерференционный способ измерения показателя преломления в образцах с градиентом показателя преломления, включающий освещение исследуемого образца, выполненного в виде плоскопараллельной пластины, пучком монохроматического излучения, формирование интерференционной картины двумя отраженными пучками, один из которых проходит через образец, и регистрацию этой интерференционной картины, отличающийся тем, что освещающий пучок делят на два пучка с помощью интерферометра, один из пучков направляют через образец на одно из зеркал интерферометра, выполненное в виде двух зеркал, установленных под углом 90^o друг к другу, что обеспечивает однократное прохождение этого пучка через образец, а другой пучок отражают от другого зеркала интерферометра, формируют интерференционную картину полос равной толщины этими двумя пучками, измеряют координаты интерференционных полос в ней с последующим расчетом показателя преломления по формуле
n(x)=λ/d·Δk(x)+n_o,
где n(x) зависимость показателя преломления от координаты;
λ - длина волны монохроматического света;
d толщина пластины;
ΔK(x) - зависимость разности порядков интерференции между точками с координатами x и x₀ от координаты x;
n₀ известный показатель преломления в точке x₀.

РИСУНКИ

Рисунок 1