Пристрій для визначення шорсткості поверхні

Винахід відноситься до вимірювальної техніки, зокрема до оптичних пристроїв вимірювання шорсткості поверхні. Для вимірювання шорсткості широко використовуються профілометри, оптичний або механічний щуп, які відслідковують профіль поверхні при переміщенні від однієї точки поверхні до іншої. Такі вимірювання вимагають багато часу і за їх допомогою неможливо провести вимірювання всієї поверхні. Відомі також оптичні методи, які дозволяють визначити шорсткість всієї поверхні за відношенням дзеркально відбитої компоненти світла до розсіяної. Точність такого метода та приладів для їх здійснення обмежуються точністю вимірювання інтенсивності світла, розсіяного у великий просторовий кут. Шорсткість поверхні може бути визначена за зміною поляризації світла, відбитого від поверхні, що досліджується. Наприклад за елепсометричними параметрами Ψ та Δ. [Петровский Г.Т. Доклады АН СССР. т.290. №2 стр.317-321 (1986)]. Однак значення цих параметрів залежить не тільки від шорсткості поверхні, а і від властивостей матеріалу поверхні, що ускладнює визначення шорсткості поверхні. Для здійснення вимірювань за цим методом використовуються еліпсометри. Еліпсометри складаються з джерела випромінювання, фотоприймача та електро або механічно керованих поляризаційних елементів. Необхідність зміни стану поляризаційних елементів підвищує час; необхідний для здійснення вимірювань, а їх точність залежить від точності установки поляризаційних елементів на кожному етапі вимірювань. Відомий спосіб для вимірювання шорсткості поверхні, для здійснення якого немає потреби змінювати стан поляризаційних елементів [патент України. Вербицький В.П., Кравченко В.І., Жданенко О.В., Савенков СМ. Спосіб вимірювання шорсткості. МПК G01В9/021. П. №39069 від 15.05.2001р.] Спосіб полягає у тому, що на поверхню, що досліджується, спрямовують два когерентні ортогональні за поляризацією промені з деякою різницею частот, таким чином, що відбите випромінювання потрапляє на квадратичний фотоприймач, а два інші ортогональні за поляризацією промені направляють безпосередньо на фотоприймач, причому різниця частот між цими променями відрізняється від різниці частот перших дво х. За спектром сигналу з фотоприймача судять про шорсткість поверхні. Спосіб здійснюється за допомогою пристрою, який складається з двох лазерів, в кожному з яких збуджують ортогонально поляризовані промені з різною частотою, причому по одному з променів кожного лазера посилають в інший і добиваються їх синхронізації, забезпечуючи когерентність всіх чотирьох променів. Однак, оскільки лазери мають незалежні резонатори і різне активне середовище, при збуренні резонатора одного з лазерів режим синхронізації порушується і зникає взаємна когерентність їх променів. Оскільки сигнал фотоприймача залежить від ступеня зміни поляризації променя при відбитті від поверхні, що є інформативним сигналам, а також від величини когерентності променів, то зміна когерентності призводить до похибок у вимірюванні шорсткості. Задачею винаходу є підвищення надійності вимірювання шорсткості поверхні. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що пристрій для визначення шорсткості складається з кільцевого резонатора, створеного принаймні трьома дзеркалами, в резонаторі розташовані активне середовище, та пластина із лінійною фазовою анізотропією, а за одним з частково прозорих дзеркал розташована оптична система та квадратичний фотоприймач. Причому довжина резонатора та активне середовище вибрані так, що на активному середовищі підсилюються дві подовжні моди однієї поляризації, що розповсюджуються назустріч і одна мода ортогональна до них за поляризацією, фотоприймач розташований таким чином, що ортогонально поляризовані промені, які виходять з одного із дзеркал резонатора потрапляють на зразок, що досліджується, а відбите від нього випромінювання-на фотоприймач, оптична система розташована за іншим дзеркалом резонатора і складається з лінійного поляризатора, вісі найбільшого та найменшого пропускання якого співпадають з вісями фазової анізотропії пластини, за поляризатором розташовані зворотні дзеркала, одне з яких півпрозоре, таким чином, що ортогонально поляризовані промені, які вийшли крізь це дзеркало потрапляють на квадратичний фотоприймач, за сигналом якого судять про шорсткість поверхні, що досліджується. Схема пристрою для визначення шорсткості наведена на Фіг.1. На схемі дзеркала 1-4 створюють кільцевий резонатор, причому дзеркала 3 та 4 частково прозорі. В резонаторі розташоване активне середовище 5, та пластина із лінійною фазовою анізотропією 6. За дзеркалом 4 розташована оптична система, яка складається з лінійного поляризатора 7, вісі найбільшого та найменшого пропускання якого співпадають з вісями фазової анізотропії пластини 6. За поляризатором розташовані зворотні дзеркала 8, 9 та півпрозоре 10. На схемі показаний зразок, що досліджується 11, який розташований таким чином, що відбите від його поверхні випромінювання, що пройшло крізь дзеркало 3 потрапляє на квадратичний фотоприймач 12. Фотоприймач розташований так, що на нього потрапляє також випромінювання лазера, яке вийшло крізь дзеркало 4 та оптичну систему 7-10. В активному середовищі 5 збуджуються три промені, два ортогональних за поляризацією розповсюджуються по замкненій траєкторії на зустріч третьому, причому оптична довжина замкненої траєкторії є різною для ортогонально поляризованих променів, оскільки до резонатору введена фазова пластина 6. Ортогонально поляризовані промені з частотами n 1 та n 2 розповсюджуються в одному напрямку, виходячи з резонатора крізь дзеркало 3 потрапляють на зразок 11, що досліджується. Відбите від нього випромінювання потрапляє на фотоприймач 12. Одночасно промінь з частотою n 2 проходить крізь дзеркало 4 поляризатор 6 відбивається від дзеркал 8-10 і далі розповсюджується разом з променем з частотою n 3 , який пройшов дзеркало 3 та напівпрозоре дзеркало потрапляє на фотоприймач 10. Різниця частот між ортогонально поляризованими променями досягається за рахунок лінійної фазової анізотропії дзеркал cj Dn = pL , де φ - величина резонатора 1-4 (або пластині з фазовою анізотропією 9) у відповідності до формули лінійної фазової анізотропії дзеркал (або фазової пластини в резонаторі) та відповідно Dn1 = c(p - j) pL . Вимірювання здійснюються наступним образом. Поверхню зондують двома ортогональними за поляризацією і з різницею частот пучками таким чином, що відбите випромінювання потрапляє на квадратичний фотоприймач, а два інші ортогональні за поляризацією промені різниця частот, яких відрізняється від різниці частот перших двох променів направляють безпосередньо на фотоприймач, за сигналом останнього судять про шорсткість. Причому в активному середовищі збуджують дві подовжні моди, що розповсюджуються по замкненій траєкторії, яку створюють дзеркалами, одна на зустріч іншій, розділяють кожну з цих мод на дві ортогональні за поляризацією моди, причому роблять оптичну довжину замкненої траєкторії цих мод різними, наприклад, за рахунок того, що пропускають моди крізь пластинку з лінійною фазовою анізотропією, змінюють довжину замкненої траєкторії, таким чином, щоб на контурі підсилення активного середовища знаходилось три моди, дві з яких ортогональні за поляризацією і розповсюджуються в одному напрямку, з цих мод виділяють променінь ортогональний за поляризацією до третьої моди і направляють його вздовж третьої моди, посилають одну пару на фотоприймач, а іншу на поверхню, що досліджується. Причому вибирають активне середовище таким чином, що однакові за поляризацією, частотою і напрямком розповсюдження моди конкурують і одна подавляє іншу. В результаті збуджують дві продольні c pL , моди, які розповсюджуються назустріч з однаковою поляризацією і різниця частот між якими пропорційна де с - швидкість світла, L - довжина замкненого кола (резонатора). Таким середовищем може бути He-Ne суміш з однорідним контуром підсилення. Якщо для ортогонально поляризованих мод створити різну оптичну довжину резонатора, наприклад за рахунок введення лінійної фазової анізотропії φ, то кожна з мод cj перетвориться на дві ортогональні за поляризацією з різницею частот pL . Оскільки контур підсилення G c » Dn pL обмежений за частотою, то завжди можна обрати таку довжину резонатора, що , де Dn - ширина контуру підсилення. В такому активному середовищі будуть підсилюватися будуть тільки дві подовжні моди 1 та 3 і одна ортогональна за поляризацією до них мода 2 (Фіг.2). Дві ортогональні моди 1 та 2, що розповсюджуються в одному напрямку потрапляють на фотоприймач. За допомогою оптичної системи виділяють частину моди 2, яка ортогональна за поляризацією до двох інших, і направляють її разом з модою 3 на поверхню, що досліджується. Відбите випромінювання разом з двома іншими променями потрапляє на квадратичний фотоприймач. За спектром сигналу з фотоприймача визначають шорсткість поверхні.