Спосіб визначення показника заломлення оптичних матеріалів

Спосіб визначення показника заломлення оптичних матеріалів, який полягає у тому, що зразок у вигляді плоскопаралельної пластини товщиною d обертають в одному із пліч інтерферометра Майкельсона до встановлення нульового поло ження зразка, вимірюють кут повороту зразка φ та величину зсуву інтерференційної картини в порядках інтерференції k і визначають показник заломлення n за формулою: Корисна модель відноситься до матеріалознавства, а саме до способів визначення фізичних параметрів матеріалів. Відомий спосіб визначення показника заломлення кристалічних матеріалів, який полягає у тому, що зразок у вигляді плоскопаралельної пластини товщиною d із оптичного матеріалу обертають в одному із плеч інтерферометра Майкельсона до встановлення нульового положення зразка, вимірюють кут повороту зразка та величину зсуву інтерференційної картини в порядках інтерференції k і визначають показник заломлення n за формулою: оптичних матеріалів, який полягає у тому, що зразок у вигляді плоскопаралельної пластини товщиною d обертають в одному із плеч інтерферометра Майкельсона до встановлення нульового положення зразка, вимірюють кут повороту зразка та величину зсуву інтерференційної картини в порядках інтерференції k і визначають показник заломлення n за формулою: U (13) 17929 sin2 (11) (1 cos k / 2d)2 2(1 cos k / 2d) де - довжина хвилі світла [G.D. Gillen and S.Guha. Refactive-index measurements of zinc germanium diphosphide at 300 and 77 K by use of a modified Michelson interferometer// Appl.Opt, 2004,43, 2054-2057]. Однак, застосування даного способу дає низьку точність вимірювання показника заломлення за рахунок наближеної оцінки нульового положення зразка та складності процесу вимірювання. Завданням корисної моделі було підвищити точність вимірювання показника заломлення оптичних матеріалів за рахунок вдосконалення методу встановлення нульового положення зразка. Поставлене завдання вирішується тим, що запропонований спосіб визначення показника заломлення оптичних матеріалів, який полягає у тому, що зразок у вигляді плоскопаралельної пластини товщиною d обертають в одному із плеч інтерферометра Майкельсона до встановлення нульового n UA sin2 sin2 (19) (1 cos k / 2d)2 2(1 cos k / 2d) де - довжина хвилі світла [А.С. Андрущак. Двухлучевой интерферометр для измерения показателя преломления изотропных и анизотропных материалов. Патент РФ №2102700 от 30.07.91. Бюл изобр. №2]. Однак, в цьому способі не враховані експериментальні особливості встановлення нульового положення зразка (положення, при якому промінь лазера падає на поверхню зразка перпендикулярно), що вносить істотну похибку визначення кута повороту, а відповідно і показника заломлення матеріалу. Найближчим аналогом до запропонованої розробки є спосіб визначення показника заломлення n (1 cos k / 2d)2 , 2(1 cos k / 2d) де λ - довжина хвилі світла, який відрізняється тим, що нульове положення зразка визначають за горизонтальним положенням смуг інтерференції променів, відбитих від опорного дзеркала інтерферометра та поверхні зразка. n 3 17929 4 положення зразка, вимірюють кут повороту зразка порядку інтерференції k, товщини пластинки d та величину зсуву інтерференційної картини в та довжини хвилі лазера . Похибка визначення порядках інтерференції k і визначають показник кута обертання в загальному випадку визначазаломлення п за формулою: ється величиною кроку обертання зразка 11. Однак, при подібних вимірюваннях виникає ще одна sin2 (1 cos k / 2d)2 n проблема - складність визначення нульового по2(1 cos k / 2d) ложення зразка 11, що відіграє істотну роль при де - довжина хвилі світла, який відрізняється визначенні реальної похибки вимірювання кута тим, що нульове положення зразка визначають за обертання. горизонтальним положенням смуг інтерференції Пошук «0», тобто положення зразка 11, при променів, відбитих від опорного дзеркала інтерякому промінь лазера падає на поверхню зразка ферометра та поверхні зразка. 11 перпендикулярно, є досить складною задачею, Горизонтальне положення смуг інтерференції так як поблизу нульового положення зразка спопроменів, відбитих від опорного дзеркала інтерстерігаються досить широкі інтерференційні макферометра та поверхні зразка, можна чітко зафіксимуми, положення яких можна встановити лише сувати, що дозволяє встановлювати нульове поіз значною похибкою. У зв'язку з цим Gillen G.D. з ложення зразка з високою точністю ~0,004°, а, співавтор, визначали «0» шляхом наближених відповідно, підвищити точність визначення показрозрахунків, що привело до низької точності виника заломлення оптичних матеріалів приблизно значення показника заломлення. на порядок величини. При застосуванні способу: 1) Запропонований альтернативний спосіб пошупісля установки «О» не потрібно виконувати додаку «0» - нульове положення зразка визначають за ткових дій, які могли б змістити зразок або інші горизонтальним положенням смуг інтерференції частини інтерферометра, що суттєво спрощує променів, відбитих від опорного дзеркала та повепроцес вимірювання; 2) пошук „0” здійснюється рхні зразка. Це здійснюється таким чином: 1) зраінтерференційним способом і тому забезпечує зок встановлюється в тримачі; 2) дзеркало, яке максимально можливу точність; 3) не потрібно знаходиться за зразком закривається, наприклад додаткове обладнання. чорним папером; 3) потім зразок обертається в На фіг.1 зображена схема установки для винапрямку імовірного знаходження «0»; 4) коли відзначення показника заломлення ізотропних та битий від поверхні зразка промінь суміститься з анізотропних оптичних матеріалів на базі інтерфепроменем, відбитим від опорного дзеркала, виникрометра Майкельсона, на Фіг.2 наведене схематине інтерференційна картина (див. Фіг.2); 5) горизочне зображення інтерференційної картини, яка нтальне розміщення інтерференційних смуг є кривиникає поблизу нульового положення зразка. терієм точного знаходження «0» для Спосіб здійснюють на пристрої, що містить 1досліджуваного зразка. На Фіг.2 а) і 2 в) зразок He-Ne лазер, 2 - розділюючу призму, 3,4- дзерказміщений відносно «0» в одну або іншу сторону. ла, 5 - поляризатор, 6 - лінза, 7- фотоприймач, 8 На Фіг.2 б) зразок розміщений перпендикулярно до механізм обертання, 9 - модуль керування, 10 променя лазера, що вказує на його нульове полоперсональний комп'ютер. ження. У вимірювальному плечі інтерферометра МайЗапропонований спосіб не вимагає додатковокельсона поміщають досліджуваний зразок 11 у го обладнання; після установки «0» не потрібно вигляді плоскопаралельної пластини із оптичного виконувати додаткових дій, які могли б змістити матеріалу. Світловий промінь He-Ne лазера 1 розразок або інші частини інтерферометра, що сутзщеплюється на два за допомогою напівпрозорої тєво спрощує процес вимірювання. розділюючої призми 2. Промінь у плечі еталона, Приклад конкретної реалізації. відбивається від дзеркала 3; промінь у вимірюваСпосіб здійснювали на зразках з оптичного льному плечі проходить через поляризатор 5 та матеріалу - одновісного кристалу LiNbO3 - 11. На зразок 11, відбивається від дзеркала 4 і знову проодержаних зрізах кристалів 11 при пропусканні ходить через зразок. Обидва промені зустрічаютьсвітла з поляризацією паралельною осі обертання ся у напівпрозорій розділюючій призмі 2, формуюпроводили вимірювання незвичайного показника чи інтерференційну картину, яка лінзою 6 заломлення nе, а при використанні світла з поляфокусується на фотоприймачі 7. ризацією перпендикулярною осі обертання - виміЗразок 11 у вигляді плоскопаралельної пласрювання звичайного показника заломлення no. тини товщиною d із оптичного матеріалу обертаПри цьому кристал 11 встановлювали так, щоб ють у вимірювальному плечі інтерферометра Майголовна оптична вісь була паралельною осі оберкельсона за допомогою механізму обертання 8 до тання. Нестабільність довжини хвилі світла лазера встановлення нульового положення зразка, виміЛГН-302 становила = 3 10-8мкм для = рюють кут повороту зразка (р та величину зсуву 0,6328мкм, похибка визначення товщини зразка 11 інтерференційної картини в порядках інтерференd = 1мкм для кристалів з товщиною d = 10мм, ції k і визначають показник заломлення п за форреальна величина зсуву інтерференційної картини мулою: була k = 0,01. Автоматизація процесу вимірювань sin2 (1 cos k / 2d)2 полягала у створенні модуля керування 9 експеn риментом, а також розробці нового програмного 2(1 cos k / 2d) забезпечення для персонального комп'ютера 10, де - довжина хвилі лазерного променя. яке дозволяло проводити вимірювання та здійсДжерелами похибки визначення показника занювати обробку одержаних результатів. Нульове ломлення є похибки визначення кута повороту , положення зразка 11 знаходили за горизонталь 5 17929 6 ним положенням смуг інтерференції променів, refractive indices of undoped and Mg-doped lithium відбитих від опорного дзеркала та поверхні зразка. niobate// Phys. Rev., 1994, В 50, 751-757]. За допомогою цього способу зразок 11 можна Таким чином, запропонований спосіб визнавстановити з точністю 15 кутових секунд або 0.004 чення показника заломлення оптичних матеріалів градуси, що задає похибку визначення кута оберза допомогою автоматизованої експериментальної установки забезпечує в декілька разів вищу точтання = 0,004°. Оцінена при таких параметрах ність вимірювань, ніж в [G.D. Gillen and S.Guha. похибка визначення показника заломлення би для Refactive-index measurements of zinc germanium зразка з d = 10мм залежить від кута обертання, diphosphide at 300 and 77 К by use of a modified асимптотичне зменшуючись при прямуванні до Michelson interferometer// Appl.Opt., 2004, 43, 2054високих кутів. Отже, вимірювання п слід проводити 205 7]. Підвищення точності досягається за рахупри максимально можливих кутах обертання зразнок використання точнішого методу визначення ка = 50-87°. В результаті проведених вимірювань нульового положення зразка, спрощення процесу одержані такі значення показників заломлення: n0 вимірювань - за рахунок автоматизації вимірювань = 2.2865±0.0007, nе = 2,2034±0,0007, що добре та вдосконалення програмного забезпечення. узгоджується з літературними даними [U. Schlarb and K. Betzler. Influence of the defect structure on the Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601