ПОЛЯРИМЕТР Российский патент 1995 года по МПК G01J4/04 

Изобретение относится к технике измерения оптического излучения и может быть использовано для контроля и диагностики различных физических объектов и процессов, в частности для изучения и диагностики химических процессов, плазмы, газового разряда, измерения тонких пленок, а также в оптических приборах для изучения астрофизических объектов.

Известно устройство для измерения поляризационных характеристик оптического излучения, содержащее оптически связанные и установленные вдоль оптической оси поляризационный преобразователь в виде четвертьволновой пластины либо электрооптического элемента, анализатор в виде бипризмы, фотоприемники и систему обработки и регистрации параметров оптического пучка [1]
Недостаток указанного устройства заключается в низкой оперативности проведения измерений, в результате чего оно непригодно для контроля и диагностики быстропротекающих процессов. Последнее связано с тем, что для получения полного набора информации, необходимой для определения всех четырех параметров измеряемого пучка света, в данном случае необходим как минимум набор трех экспериментов, из результатов которых определяют характеристики измеряемого излучения, например параметры Стокса. Кроме того, устройство содержит ряд сложных и дорогих компонентов, в частности бипризм анализаторов, в значительной мере удорожающих измерительный прибор.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является поляриметр для измерения параметров Стокса, содержащий оптическую систему в виде группы светоделительных пластин с поляризационным преобразователем в виде четвертьволновой пластины, четыре фотоприемника и блок обработки информации с регистратором [2]
Известный поляриметр позволяет производить измерение быстропротекающих процессов. Последнее достигается благодаря тому, что информация об измеряемом оптическом излучении в нем принимается одновременно четырьмя фотоприемниками, как часть светового пучка снимается с четырех светоделительных пластин, ориентированных под различными углами по отношению к световому пучку. Впоследствии эта информация анализируется в блоке обработки информации, и результат выводится в виде полной системы параметров Стокса на регистратор.

Однако при использовании этого прибора возникает существенное ограничение, связанное с требованием к монохроматичности измеряемого им излучения. Это требование обусловлено использованием в качестве фазосдвигающего элемента четвертьволновой пластины, допускающей работу лишь с излучением конкретной длины волны. При переходе на работу с излучением другой длины волны четвертьволновая пластина должна быть соответственно заменена. Вследствие этого использование известного поляриметра становится возможным лишь с излучением заранее известной длины волны. При этом в ряде случаев, в частности при изучении и контроле различных физико-химических процессов, например, в плазме, в газовых разрядах, при изучении астрофизических объектов и т.п. использование указанного поляриметра становится проблематичным. Кроме того, наличие в известном поляриметре большого числа оптически активных элементов, взаимодействующих со световым пучком, существенно усложняет конструкцию, увеличивает его стоимость, а также, несмотря на более высокие требования к обслуживанию измерительного прибора, снижает точность измерения характеристик оптического излучения. Последнее объясняется тем, что общая ошибка измерения складывается из частных, возникающих при установке положения каждого из оптических элементов прибора, число которых в данном случае велико.

Для устранения указанных недостатков в поляриметре, содержащем систему оптически связанных светоделительных пластин с поляризационным преобразователем, четыре фотоприемника, принимающих часть светового пучка со светоделительных пластин, блок обработки информации с фотоприемников и регистратор, оптическая система имеет расположенные по ходу луча две светоделительные пластины и установленный за ними двугранный уголковый отражатель, а фотоприемники установлены попарно с противоположных сторон от последних. Причем двугранный уголковый отражатель выполнен в виде призмы из прозрачного материала.

На чертеже изображена схема предлагаемого поляриметра.

Оптическая часть поляриметра состоит из установленных последовательно по ходу луча двух светоделительных пластин 1 и 2 и двугранного уголкового отражателя 3. Измерительная часть содержит две пары фотоприемников 4,5 и 6,7, блок 8 обработки информации и регистратор 9.

Поляриметр работает следующим образом.

Исследуемый пучок света попадает на установленные произвольно, но не параллельно одна другой светоделительные пластины 1 и 2. При прохождении сквозь пластины пучок дробится на отраженную и проходящую части. Первая из них направляется в фотоприемники 4 и 6 для последующей фотометрии. Вторая часть пучка после прохождения через обе светоделительные пластины попадает на уголковый отражатель 3, который выполнен в виде пары расположенных под углом 90^о друг к другу отражающих свет плоскостей, свойство которого заключается в полном отражении падающего на него светового пучка в обратном направлении независимо от угла падения на него электромагнитных волн. Одновременно с отражением при этом происходит фазовый скачок, приводящий к повороту плоскости поляризации светового пучка на некоторый угол, зависящий от установки плоскости отражателя относительно падающего на него пучка. Преобразованный с измененными фазовыми соотношениями пучок света на обратном пути попадает на те же светоделительные пластины 2 и 1 (в обратном порядке). Повторно отраженные части светового пучка детектируются фотоприемниками 7 и 5, установленными возле светоделительных пластин, с противоположной стороны относительно первой пары фотоприемников 4 и 6. Полученный таким образом набор четырех независимых данных измерения с фотоприемников 4, 5, 6, 7 направляется в блок 8 обработки информации, результаты которой, например, в виде четырех параметров Стокса выводятся на регистратор 9. Таким образом, полный набор данных о поляризованных параметрах пучка света в данном приборе получен при взаимодействии его лишь с тремя оптическими элементами, а именно с двумя светоделительными пластинами и одним уголковым отражателем. Причем для сохранения постоянства фазового скачка по всему сечению светового пучка уголковый отражатель выполнен двугранным в виде пары расположенных под углом 90^о светоотражающих плоскостей. При этом основной эффект, заключающийся в ахроматических свойствах прибора, связан с тем, что величина сдвига фазы при отражении светового пучка от уголкового отражателя в пределах точности измерения не зависит от длины волны в пучке. Следовательно, поляриметр становится работоспособным в широком диапазоне длин волн, включая весь спектр оптических частот. При этом в качестве уголкового отражателя поляриметра в наилучшей степени удовлетворяет поворачивающая призма по причине прочности и неизменности ее свойств от внешних условий, а также ввиду незначительности возникающей при полном отражении пучка дисперсии, которая в общем случае не превышает статистической ошибки измерения. Последняя в данном приборе определяется точностью угловой установки всего лишь трех элементов оптической системы. Снимаются при этом и проблемы, связанные с уходом за отражающими плоскостями оптического элемента, характерными для металлических вертикальных поверхностей, и поддержанием стабильности отражающих свойств.

Положение оптических элементов в поляриметре может быть произвольным за исключением двух условий: плоскости светоделительных пластин не должны быть параллельны друг другу и уголковый отражатель своей отражающей плоскостью должен быть развернут в сторону светоделительных пластин. Различия в показаниях фотоприемников, связанные с положением оптических элементов в приборе, при этом могут быть скорректированы соответствующим алгоритмом обработки данных, задаваемым блоку обработки информации. Для реализации максимальной чувствительности и точности измерений, а также для упрощения алгоритма расчета параметров Стокса светоделительные пластины предпочтительно устанавливать под углом Брюстера к оптической оси прибора, а уголковый отражатель располагать по нормали к вводимому оптическому пучку. Кроме того, взаимное расположение светоделительных пластин должно быть таким, чтобы плоскость, проведенная через оптическую ось прибора и нормаль к второй пластине, располагалась под углом 90^о к аналогичной плоскости относительно первой пластины.

П р и м е р. Оптическая часть поляриметра содержит две кварцевые пластины (возможно также использование стекла К-8 c пониженной дисперсией) размером 30 х 40 мм, расположенные в различных плоскостях под углом 45^о друг к другу. Уголковый отражатель пара пластин из нержавеющей стали, обработанных по классу 14. Электронная часть содержит две пары фотоэлектрических преобразователей и электронный блок процессора, вычисляющий по специальной программе четыре параметра Стокса. При диаметре светового пучка до 3 мм при работе с излучением в диапазоне длин волн 0,44-1,15 мкм абсолютная погрешность определения параметров Стокса не более 5 ˙ 10^-3.

Расчет показывает, что погрешность может быть снижена до (1-2) ˙ 10^-3 за счет уменьшения дисперсии в повороте плоскости поляризации в процессе двойного переотражения при замене металлического уголкового отражателя на уголковый отражатель в виде призмы.

Использование изобретения позволит создать всеволновый прибор для измерения поляризационных характеристик оптического излучения. Ахроматичность прибора с оперативностью его работы расширит круг задач, связанных с исследованием физических процессов, в частности изучением физико-химических процессов, диагностикой плазмы и газовых разрядов, эллипсометрией при измерении параметров пленок на поверхности твердого тела и контролем технологических процессов в полупроводниковом и подобных производствах. При этом одновременно достигается значительное упрощение конструкции поляриметра со снижением его стоимости, поскольку оптическая часть предлагаемого поляриметра содержит всего лишь три простейших элемента без особых требований к их характеристикам. Малое число взаимодействующих с измеряемым пучком оптических компонентов уменьшит суммарную ошибку измерения, связанную с неточностями в установке оптических элементов. Кроме того, благодаря малому количеству оптических элементов в поляриметре удается избежать дополнительных азимутальных ошибок, вносимых неизбежными несовершенствами оптических элементов. Отсутствие в приборе поляризатора и анализатора существенно увеличивает светосилу поляриметра, что позволяет проводить полноценные поляризационные измерения слабых световых пучков, например, в астрометрии, измерении люминесценции и т.п.

Изобретение позволяет создать простой по конструкции прибор для измерения поляризационных характеристик оптического излучения в широком диапазоне длин волн. Сущность изобретения: оптическая часть поляриметра содержит две светоделительные пластины и установленный за ними двугранный уголковый отражатель. Измерительная часть имеет установленные попарно с разных сторон от светоделительных пластин четыре фотоприемника и блок обработки информации с регистратором. Двугранный уголковый отражатель может быть выполнен в виде призмы из оптически прозрачного материала. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ПОЛЯРИМЕТР, содержащий оптическую систему, включающую оптически связанные и последовательно установленные вдоль оптической оси светоделительные пластины и поляризационный преобразователь, четыре фотоприемника, оптически связанных со светоделительными пластинами, блок обработки информации с фотоприемников и регистратор, отличающийся тем, что оптическая система содержит две светоделительные пластины, поляризационный преобразователь выполнен в виде двугранного уголкового отражателя, а фотоприемники установлены попарно с противоположных сторон от светоделительных пластин. 2. Поляриметр по п.1, отличающийся тем, что двугранный уголковый отражатель выполнен в виде призмы из прозрачного материала.