Інтерферометрично-поворотний спосіб вимірювання показника заломлення оптичних матеріалів

Інтерферометрично-поворотний спосіб вимірювання показника заломлення оптичних матеріалів, який полягає у тому, що зразок із оптичного матеріалу у вигляді плоскопаралельної пластини товщиною d обертають в одному із плечей інтер ферометра Майкельсона до встановлення нульового положення зразка, вимірюють кут повороту зразка j та величину зсуву інтерференційної картини в порядках інтерференції K і визначають показник заломлення n, який відрізняється тим, що додатково визначають показник заломлення середовища nс, в якому знаходиться досліджувана пластина, а показник заломлення n розраховують згідно з формулою: Корисна модель відноситься до матеріалознавства, а саме до способів визначення фізичних параметрів матеріалів. Відомий [G.D. Gillen and S.Guha. Refactiveindex measurements of zinc germanium diphosphide at 300 and 77 К by use of a modified Michelson interferometer // Appl. Opt. - 2004. - V.43. - P.20542057] спосіб визначення показника заломлення кристалічних матеріалів на основі методу інтерферометрії обертання плоскопаралельних зразків (інтерферометрично-поворотного методу), який полягає у тому, що зразок у вигляді плоскопаралельної пластини із оптичного матеріалу обертають в одному із плеч інтерферометра Майкельсона до встановлення нульового положення зразка, вимірюють кут повороту зразка та величину зсуву інтерференційної картини і на основі чого розраховують показник заломлення досліджуваного матеріалу. Однак, застосування даного способу дає низьку точність вимірювання показника заломлення за рахунок наближеної оцінки нульового положення зразка та складності процесу вимірювання, в якому не враховується показник заломлення середовища, де знаходиться вимірювальний зразок. Найближчим до запропонованої розробки є спосіб визначення показника заломлення оптичних матеріалів [Андрущак А.С., Островський І.П., Тибінка Б.В. Спосіб визначення показника заломлення оптичних матеріалів. Патент України на корисну модель №17929 від 16.10.2006], 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 j та величину зсуву інтерференційної картини в порядках інтерференції К і визначають показник заломлення n. Однак, в цьому способі не враховано умови навколишнього середовища, в якому знаходиться досліджуваний зразок в процесі вимірювання, що приводить до зменшення точності вимірювання. В основу корисної моделі поставлене завдання створення способу визначення показника заломлення оптичних матеріалів, який дозволив би підвищити точність вимірювання оптичних матеріалів за рахунок врахування показника заломлення середовища, в якому знаходиться вимірювальний зразок. Поставлене завдання вирішується тим, що для інтерферометрично-поворотного способу вимірювання показника заломлення оптичних матеріалів, який полягає у тому, що зразок у вигляді плоскопаралельної пластини товщиною d із оптич n= sin 2 j × n 2 + [(1 - cos j) × n c - Kl / 2d] C 2 2[(1 - cos j) × n c - Kl / 2d] 2 , (19) UA (11) 39155 (13) U де l - довжина хвилі світла. 3 39155 ного матеріалу обертають в одному із плеч інтерферометра Майкельсона до встановлення нульового положення зразка, вимірюють кут повороту зразка j та величину зсуву інтерференційної картини в порядках інтерференції К і за цими даними визначають показник заломлення n, згідно з корисною моделлю, показник заломлення п пластини визначають із врахуванням показника заломлення середовища nc, в якому знаходиться досліджувана пластина, згідно формули: n= 2 sin2 j × nC + [(1 - cos j) × nc - Kl / 2d]2 2[(1 - cos j ) × nc - Kl / 2d]2 , де l - довжина хвилі світла. 4 Таке врахування показника заломлення середовища nс, в якому знаходиться вимірювальний зразок дозволяє більш точніше визначити показник заломлення досліджуваного матеріалу, так як можна враховувати умови навколишнього середовища, які впливають на похибку вимірювання. Враховуючи похибки визначення кута обертання dj, порядку інтерференції dK, товщини пластинки dd, нестабільність джерела електромагнітного випромінювання dl та точність вимірювання показника заломлення середовища dnc, оцінити похибку визначення показника заломлення dn досліджуваного матеріалу можна за такою формулою: 2 2 2 2 2 ìæ ö ü æ ¶n ö æ ¶n ö æ ¶n ö æ ¶n ö ï ¶n ï dn = íç × dj ÷ + ç × dK ÷ + ç × dd÷ + ç × dl ÷ + ç × dn c ÷ ý ç ¶j ÷ ÷ ç ¶n è ¶K ø è ¶d ø è ¶l ø ø ø ï è c ïè î þ Тоді співвідношення для теоретичної оцінки середньоквадратичної похибки визначення показ 1/ 2 . ника заломлення в запропонованому способі буде таким: 2 ìé ù cos(j) × nc + [((1 - cos(j)) × nc - n - Kl / 2d)] ï dn = í êsin(j) × nc × × djú + [(1 - cos(j)) × nc - Kl / 2d] ïë û î 2 éæ l × dK K × l × dd K × dl ö é ùù n + êç + ÷×ê ç 2d ÷ 2[(1 - cos(j)) × n - Kl / 2d] - 1ú ú + 2 2d ø ë 2d êè c ûú ë û 1/ 2 é sin(j)2 × n + [(1 - cos(j)) × n - Kl / 2d]× (1 - cos(j)) - (1 - cos(j)) × n ùü ï c c +ê × dnc ú ý (1 - cos(j)) × nc - Kl / 2d ê úï ë ûþ На Фіг.1 зображена схема установки для визначення показника заломлення оптичних матеріалів на базі інтерферометра Майкельсона інтерферометрично-поворотним способом. Інтерферометрично-поворотний спосіб вимірювання показника заломлення оптичних матеріалів здійснюють на пристрої, що містить 1 - лазер, 2 - розділюючу призму, 3, 4 - дзеркальний відбивач променя, 5 - поляризатор, 6 - лінза, 7 - фотоприймач, 8 - механізм обертання, 9 - блок керування і індикації. У вимірювальному плечі інтерферометра Майкельсона розташовують досліджуваний зразок 10 у вигляді плоскопаралельної пластини із оптичного матеріалу. Світловий промінь лазера 1 розщеплюється на два за допомогою напівпрозорої розділюючої призми 2. Промінь у плечі еталона, відбивається від дзеркального відбивача 3; промінь у вимірювальному плечі проходить через поляризатор 5 та зразок 10, відбивається від дзеркального відбивача 4 і знову проходить через зразок. Обидва промені зустрічаються у напівпрозорій розділюючій призмі 2, формуючи інтерференційну картину, яка лінзою 6 фокусується на фотоприймач 7, що з'єднаний з блоком керування і індикації 9. Зразок 10 у вигляді плоскопаралельної пластини товщиною d із оптичного матеріалу обертають у вимірювальному плечі інтерферометра Майкельсона за допомогою механізму обертання 8, що . керується за допомогою блоку керування і індикації 9, який забезпечує фізичний і логічний зв'язок між елементами пристрою, контролює зміну положення рухомих елементів пристрою та спрощує процес вимірювання показника заломлення досліджуваного матеріалу, вимірюють кут повороту зразка j та величину зсуву інтерференційної картини в порядках інтерференції К і визначають показник заломлення n, враховуючи показник заломлення середовища nс, в якому знаходиться інтерферометр Майкельсона. Приклад конкретної реалізації на основі кристалічного кварцу Оцінимо необхідність врахування показника заломлення середовища (наприклад, повітря, для якого nс=nпов=1.000294), в якому знаходиться зразок кристалічного кварцу. Так при розрахунках за формулою із прототипу для заданих значень d=2мм, j=85°, l=0.6328мкм та визначеної величини K=3464.48, величина показника заломлення кварцу становить n’=1.542721. А при тих же значеннях d, j, K, l та із врахуванням показника заломлення повітря, нова величина показника заломлення буде рівною n=1.542654. Різниця цих значень dnпов=n’-n=6.7·10-5, розрахованих по різних формулах, дає нам величину можливої похибки при розрахунках показника заломлення кристалічного кварцу, тобто без врахування реального показника заломлення повітря. 5 39155 Проведемо також оцінку похибки вимірювання показника заломлення пластини за пропонованим способом. Приймемо нестабільність довжини хвилі випромінювання лазера ЛГН-302 dl=3·10-8мкм для l=0.6328мкм, величину похибки визначення товщини зразка dd=0.01мкм [Коломийцов Ю.И. Интерферометрии. - Л.: Машиностроение, 1976], реальну величину точності реєстрації зсуву інтерференційної картини як dK=0.007 [Мищенко Ю.В. Метод измерения показателя преломления стеклянных пластин // Измерительная техника. 1990. - №8. - С.39-41]. Вимірювання кута обертан Комп’ютерна верстка О. Рябко 6 ня може бути здійснено з точністю dj=1·10-6 [Авторське свидетельство СССР №1060939, кл. G01В9/02, 1983]. Оцінена при таких параметрах похибка визначення показника заломлення dn для зразка з d=2мм залежить від кута обертання, асимптотично зменшуючись при прямуванні до високих кутів. Отже, вимірювання n слід проводити при максимально можливих кутах обертання зразка j=50÷87°. Тоді для реальних значень n=1.542654 і j=85° розрахована нами точність визначення показника заломлення матеріалу становить 3.5·10-6. Підписне Тираж 28 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