Спосіб вимірювання показника заломлення оптичних матеріалів із непаралельними гранями досліджуваних зразків

Реферат: Спосіб вимірювання показника заломлення оптичних матеріалів із непаралельними гранями досліджуваних зразків належить до матеріалознавства, а саме до способів визначення фізичних параметрів матеріалів. UA 69582 U (12) UA 69582 U UA 69582 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Корисна модель належить до матеріалознавства, а саме до способів визначення фізичних параметрів матеріалів. Відомий спосіб визначення показника заломлення кристалічних матеріалів [Betzler K.l.a//Rev.Sei.Instrum 1988, ν.59, Ν 4, p. 552], який полягає у тому, що зразок у вигляді плоскопаралельної пластини розміщують на поворотному пристрої в одному із плечей інтерферометра Маха-Цендера, сформований за допомогою двох напівпрозорих призм та пари відбиваючих дзеркал, спеціальний блок керування та індикації керує поворотом зразка, а дані зчитують системою реєстрації на основі отриманих змін порядку інтерференції в сформованій інтерференційній картині, яка пов'язана зі зміною положення досліджуваного зразка. Однак, застосування даного способу дає порівняно низьку точність вимірювання показника заломлення внаслідок використання цифрової обробки отриманих результатів наближеним методом інтерактивної лінійної інтерполяції, а сам процес вимірювання потребує великої кількість фізичних затрат та дорогого обладнання. Крім того, даний спосіб не враховує непаралельність граней досліджуваних зразків, що значно знижує точність процесу вимірювання у випадку наявності неминучої непаралельності граней цих зразків. Найближчим до запропонованого способу 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, Бюл. № 10, 2006], який полягає у тому, що зразок із оптичного матеріалу товщиною d обертають в одному із плечей інтерферометра до встановлення нульового положення зразка, вимірюють кут повороту зразка φ та величину зсуву інтерференційної картини в порядках інтерференції K. Однак, і в цьому способі не враховано непаралельність вхідної та вихідної граней досліджуваних зразків, що призводить до зменшення точності вимірювання за рахунок неточного підрахунку величини зсуву інтерференційної картини в порядках інтерференції, а відповідно і самого показника заломлення. Крім того, використання в даному способі інтерферометра Майкельсона, за принципом роботи якого промінь двічі проходить через досліджувальний зразок, значно ускладнює процедуру реєстрації інтерференційної картини в зразках з явною клиновидністю та призводить до неможливості використання формули даного патенту для розрахунку показника заломлення при великих кутах обертання досліджуваних зразків. В основу корисної моделі поставлена задача способу вимірювання показника заломлення оптичних матеріалів із непаралельними гранями досліджуваних зразків, який дозволив би підвищити точність вимірювання показника заломлення оптичних матеріалів за рахунок врахування кута непаралельності вхідної та вихідної граней досліджуваних зразків. Поставлена задача вирішується тим, що в способі вимірювання показника заломлення оптичних матеріалів з непаралельними гранями, який полягає у тому, що зразок із оптичного матеріалу товщиною d обертають в одному із плечей інтерферометра до встановлення нульового положення зразка, тобто такого положення, коли одна із граней зразка розміщена перпендикулярно до напрямку поширення електромагнітного випромінювання, вимірюють кут повороту зразка φ та величину зсуву інтерференційної картини в порядках інтерференції K, згідно з корисною моделлю, додатково визначають кут непаралельності  вхідної та вихідної граней зразка, вимірювання величини зсуву інтерференційної картини в порядках інтерференції здійснюють при повороті зразка на кут  від нульового положення за та проти годинникової стрілки, а як інтерферометр вибирають інтерферометр Маха-Цендера і визначають показник заломлення n згідно з співвідношенням: 2  2 cos     n  sin2     ,  2   / tg  sin   де  - кут повороту зразка; - кут непаралельності вхідної та вихідної граней; A 50 55 1   2  d - зміна різниці ходу світлового променя на одиницю товщини зразка при його повороті на кут φ від нульового положення за та проти годинникової стрілки; K1 - зсув інтерференційної картини в порядках інтерференції при повороті зразка за годинниковою стрілкою; K2 - зсув інтерференційної картини в порядках інтерференції при повороті зразка проти годинникової стрілки; d - товщина зразка;  - довжина хвилі випромінювання. 1 UA 69582 U 5 10 15 20 25 30 35 40 Величини K1 і K2 знаходять експериментально, повертаючи зразок на кут  відповідно за і проти годинникової стрілки, а кут непаралельності граней зразка  можна вважати величиною відомою, наперед визначеною. Таке врахування кута непаралельності граней досліджуваного зразка дозволяє більш точніше визначити показник заломлення досліджуваного матеріалу в порівнянні з уже відомими методами. Крім того, виготовлення зразка з ідеально паралельними гранями є досить складним та дорогим завданням, а тому запропонований нами спосіб є одним із можливих методів для здешевлення процесу вимірювання шляхом врахування неминучої непаралельності граней новостворених оптичних зразків, забезпечуючи високу точність вимірювання показників заломлення таких зразків. Більше того, є ряд пристроїв, для яких потрібно безпосередньо використовувати зразки у вигляді клина. Тому з метою економії часу та коштів вимірювання можна проводити безпосередньо на виготовленому зразку довільної клиновидності із забезпеченням високої точності експерименту. На фіг. 1 зображена схема установки для визначення показника заломлення оптичних матеріалів на базі інтерферометра Маха-Цендера для методу інтерферометри обертання зразків довільної клиновидності. Спосіб вимірювання показника заломлення оптичних матеріалів з непаралельними гранями здійснюють на пристрої, що містить 1 - He-Ne лазер; 2 - поляризатор; 3, 4 - відокремлювальні призми; 5, 6 - дзеркала; 7 - аналізатор; 8 - лінза; 9 - фотоприймач; 10 - модуль автоматизації, до складу якого входить 13 - аналого-цифровий перетворювач та 14 - блок керування кроковим двигуном; 11 - блок контролю та обробки даних; 12 - механізм обертання; 15 - досліджуваний зразок. Процес вимірювання проводять наступним чином. У вимірювальному плечі інтерферометра Маха-Цендера розташовують механізм обертання 12 разом із досліджуваним зразком 15, який виготовлений у вигляді пластини з довільною клиновидністю із оптичного матеріалу. Світловий промінь He-Ne лазера 1, що проходить через поляризатор 2, розщеплюється на два за допомогою напівпрозорої відокремлювальної призми 3. Промінь в опорному плечі, відбивається від дзеркального відбивача 6 і потрапляє на відокремлювальну призму 4; а промінь у вимірювальному плечі, відбившись від дзеркального відбивача 5 та пройшовши через вимірювальний зразок 15, потрапляє на відокремлювальну призму 4, яка служить для з'єднання пучків із двох плечей інтерферометра. На виході із відокремлювальної призми 4 світловий промінь проходить через аналізатор 7 та фокусуючу лінзу 8, яка фокусує зображення інтерференційної картини на фотоприймачі 9, що з'єднаний з модулем автоматизації 10, до складу якого входить аналогово-цифровий перетворювач 13 та блок керування кроковим двигуном 14. Зразок 15 у вигляді плоскопаралельної пластини товщиною d із оптичного матеріалу обертають у вимірювальному плечі інтерферометра Маха-Цендера за допомогою механізму обертання 12, що керується модулем автоматизації 10, а правильність виконання контролюється за допомогою блока контролю та обробки даних 11, 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 поворот зразка на кут φ за та проти годинникової стрілки, та відповідні величини зсуву інтерференційної картини в порядках інтерференції відповідно K1 та K2 і визначають показник заломлення n на основі співвідношення: 2 45  2 cos     n  sin2     ,  2   / tg  sin   де φ- кут повороту зразка;  - кут непаралельності вхідної та вихідної граней; A 50 55  1   2  d - зміна різниці ходу світлового променя на одиницю товщини зразка при його повороті на кут φ від нульового положення за та проти годинникової стрілки; K1 - зсув інтерференційної картини в порядках інтерференції при повороті зразка за годинниковою стрілкою; K2 - зсув інтерференційної картини в порядках інтерференції при повороті зразка проти годинникової стрілки; d - товщина зразка;  - довжина хвилі випромінювання. 2 UA 69582 U 5 На фіг. 2 та фіг. 3 схематично зображено хід променя в зразку оптичного матеріалу 15 із непаралельними вхідними гранями досліджуваних зразків при повороті зразка за та проти годинникової стрілки відповідно. Спосіб здійснюють так. Зразок 15 з кутом клиновидності протилежних робочих граней 0 поміщено в одне із плечей інтерферометра, в якому лазерний пучок перпендикулярний до однієї із граней зразка. Величина внесеної оптичної різниці ходу в нульовому положенні становить Δ=nd. Після повороту зразка 15 за годинниковою стрілкою на кут φ (фіг. 2) оптична різниця ходу променя зміниться, порівняно з нульовим положенням зразка, на величину Δ1=Δ1-Δ: 1  10 де φ' - кут заломлення світла в зразку. Аналогічно можна одержати, що після повороту зразка на кут φ проти годинникової стрілки (фіг. 3) зміна різниці ходу становитиме Δ2=Δ2-Δ: 2  15  1 nd nd tg' sin  tg' sin     d  d   cos  '  nd, (2) cos ' cos  ' cos ' cos  '    1 nd nd tg' sin  tg' sin     d  d   cos  '  nd. (3) cos ' cos  ' cos ' cos  '   Для простоти обчислень тут покладено, що зразок перебуває в повітрі, а для показника заломлення повітря наближено взято nпов.=1. Різницю ходу у величинах порядку K зсуву інтерференційної картини можна визначити за формулою =Κ. Враховуючи закон Снелліуса (sin/sin'=n) і стандартні тригонометричні співвідношення для cos()=coscossinsin, із формули (2) одержимо спрощену формулу для розрахунку K1 при повороті зразка за годинниковою стрілкою:  2   2 2 2  n  sin   cos   n  sin   d   1    1  n. (4)   n2  sin 2   tg sin      20 Так само на підставі формули (3) можна знайти зсув інтерференційної картини K2 після повороту зразка проти годинникової стрілки:  2   2  2 2  n  sin   cos   n  sin   2tgs sin    d     1  n. (5) 2     n2  sin 2   tg sin      25 30 35 40 Віднявши почленно формули (4) і (5) та виконавши необхідні спрощення, можна прийти до остаточного робочого співвідношення (1), яке можна використовувати для розрахунку показника заломлення зразка з кутом клиновидності . Приклад конкретної реалізації способу вимірювання показника заломлення кристалів ніобату літію (LiNbO3). Для точнішого визначення показника заломлення кристалічних матеріалів необхідно враховувати непаралельність граней досліджуваних зразків. Так при розрахунках ідеально плоскопаралельного зразка згідно з прототипом для виміряних значень d=4 мм, φ=60°, =0,6328 мкм та визначеної величини K=2083,88 величина показника заломлення ніобат літію становитиме n=2,286814. При проведенні аналогічних вимірювань для тих же значень d, , , n=2,286814, та із врахуванням реального кута непаралельності граней досліджувального зразка =1° (1' чи 1"), нова величина зсуву інтерференційної картини в порядках інтерференції за новою формулою (4) або (5) становить K'=2157,41 (2085,12 чи 2083,92 ) - тут і далі в дужках величини відповідають кутам =1' чи 1"). Якщо підставити нове значення величини K' у формулу із прототипу, то отримаємо величину показника заломлення для цього випадку -1 -3 -5 n'=2,442323 (2,289208 чи 2,286854). Різниця цих значень n=n–n'=1,610 (2,410 чи 410 ), дає нам величину можливої похибки при розрахунках показника заломлення кристалів ніобату літію без врахування реальної клиновидності досліджуваного зразка. Звідси можна зробити висновок, що врахування кута клиновидності досліджуваного зразка сприяє точнішому визначенню показника заломлення даного кристалічного матеріалу, причому при зростанні кута  ця похибка суттєво зростає і становить 7 % вже при куті клиновидності =1°. 3 UA 69582 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Спосіб вимірювання показника заломлення оптичних матеріалів із непаралельними гранями досліджуваних зразків, який полягає у тому, що досліджуваний зразок із оптичного матеріалу товщиною d обертають в одному із плечей інтерферометра до встановлення нульового положення зразка, тобто до такого положення, коли одна із граней зразка розміщена перпендикулярно до напрямку поширення електромагнітного випромінювання, вимірюють кут повороту зразка  та величину зсуву інтерференційної картини в порядках інтерференції K, який відрізняється тим, що додатково визначають кут непаралельності  вхідної та вихідної граней зразка, вимірювання величини зсуву інтерференційної картини в порядках інтерференції здійснюють при повороті зразка на кут  від нульового положення за та проти годинникової стрілки, а як інтерферометр вибирають інтерферометр Маха-Цендера і визначають показник заломлення n згідно з співвідношенням: 2 15   2 cos    n  sin 2     ,  2   / tg  sin   де  - кут повороту зразка;  - кут непаралельності вхідної та вихідної граней; A 20 25  1   2  d - зміна різниці ходу світлового променя на одиницю товщини зразка при його повороті на кут  від нульового положення за та проти годинникової стрілки; K1 - зсув інтерференційної картини в порядках інтерференції при повороті зразка за годинниковою стрілкою; K2 - зсув інтерференційної картини в порядках інтерференції при повороті зразка проти годинникової стрілки; d - товщина зразка;  - довжина хвилі випромінювання. 4 UA 69582 U Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5