СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЯ ЗАРЕЦКОГО Российский патент 1995 года по МПК G01N21/23 

Изобретение относится к способам измерения оптических свойств материалов, в частности оптической анизотропии, и может быть использовано для изучения свойств оптически прозрачных сред, например полимерных пленок, кристаллов природных и искусственных материалов и др. Особенно полезно использование способа для измерения величины двулучепреломления полимерных пленок, в частности ориентированных полимерных пленок, а также для исследования напряженного состояния оптически активных сред.

Известен способ измерения величины двулучепреломления светового луча, прошедшего через объект измерения. Этот способ состоит в том, что образец просвечивается поляризованным лучом света (например, лучом лазера). При этом образуется разность хода между обыкновенным и необыкновенным лучами. Эта разность хода пропорциональна величине оптической анизотропии образца. При измерении ориентированной пленки разность хода пропорциональна степени ориентации образца (при одинаковой его толщине). В случае измерения напряженного состояния оптически активной среды упомянутая разность хода пропорциональна величине напряжения в точке измерения. Разность хода лучей измеряют с помощью компенсаторов Берека или Бабина, расположенных после образца по ходу луча света, методом Сенармона или другими известными методами (см. главу IX Определение силы двулучепреломления в кн. В.Б.Татарского "Кристаллооптика", Л. 1949; статью Фотоэлектрический метод регистрации двулучепреломления в полимерах. А.С.Рамш, Е.А.Сидорович, в сб. Физические свойства эластомеров. Л. Химия, 1955).

Этот способ измерения величины двулучепреломления не применим для измерения высоких порядков. При попытках построить автоматически действующий прибор по известному способу задача решается без особых проблем для измерения разности хода не более одного порядка. Далее возникают непреодолимые трудности из-за необходимости распознавания порядка (числа волн светового луча в величине разности хода). В то же время в оптически активных средах, например а полимерных пленках, разность хода может достигать многих порядков. Например, в одноосно ориентированной лавсановой пленке при толщине 100 мкм и коэффициенте втяжки 3,5-4 разность хода достигает 80 порядков. Подобные величины двулучепреломления известным способом автоматически измерить невозможно.

Наиболее близким к предлагаемому является метод Сенармона (Эдельштейн Е. И. Координатно-синхронный поляриметр КСП-7, сб. Поляризационно-оптический метод исследования напряжений, ЛГУ, 1966, с.498-512). Согласно этому методу разность хода в монохроматическом свете определяется углом, на который надо повернуть анализатор для того, чтобы получить темноту. При этом первоначально поляризатор и анализатор расположены взаимно перпендикулярно по своим осям пропускания. Кристаллографические оси пластинки четверть волны совпадают с осями пропускания поляризатора и анализатора и расположены под углом 45^о к направлению оптической анизотропии исследуемого образца.

Недостатком метода является невозможность измерения разностей хода высоких порядков, например более 10. Также трудно определить дробную часть сверх некоторого целого порядка.

Целью изобретения является повышение точности и расширение диапазона измерения величины двулучепреломления образца.

Цель достигается тем, что изменяют длину волны исходного луча света, одновременно при этом поддерживают постоянным сигнал на выходе фотоприемника соответствующим изменением параметра, определяющего эффект компенсации, а величину двулучепреломления определяют по отношению диапазона изменения указанного параметра компенсатора к соответствующему ему диапазону изменения длины волны исходного луча света.

В ходе проведения патентных исследований по научно-технической и патентной литературе не было обнаружено технических решений, содержащих указанные выше признаки, что позволяет сделать вывод о его соответствии критериям "Новизна" и "Существенные отличия".

Известно, что величина разности хода α, пропорциональная толщине образца d, обратно пропорциональна длине волны λ (см. Фрохт М.М. Фотоупругость, т. 1, M.-Л. ОГИВ, 1948, с.123, формула 4, 6):
α=K (1)
Здесь разность хода α выражена в длинах волн. При изменении длины волны λ на Δ λ получают
α+Δα=K (2)
Вычитая из выражения (2) уравнение (1), получают
Δα=kd (3)
Разделив выражение (3) на уравнение (1), получают
(4)
Поскольку величина Δ λ мала (порядка нескольких процентов от λ), то получают основное соотношение
(5)
Из соотношения (5) следует, что при фиксированной длине волны луча λ и изменения этой волны Δ λ приращение разности хода линейно связано с самой величиной α. Соотношение (5) является теоретической основой предлагаемого способа.

Таким образом, с помощью компенсатора надо скомпенсировать величину Δ α для того, чтобы оставить неизменной яркость прошедшего через образец луча. Диапазон изменения длины волны наиболее целесообразно выбрать так, чтобы Δ α был менее одного порядка. Такую величину легко компенсировать автоматическим устройством.

На фиг. 1 представлена структурная схема реализации предлагаемого способа измерения, где 1 образец, 2 лазер (например, полупроводниковый), 3 электромагнит, 4 генератор напряжения, 5 компенсатор 5 в виде клина, 6 анализатор, 7 фотоприемник, 8 преобразователь, 9 привод клина, 10 датчик перемещения клина, 11 измерительный блок.

Луч поляризованного света от лазера 2 проходит через образец 1, компенсатор 5, анализатор 6 и поступает на фотоприемник 7 (например, фотоумножитель типа ФЭУ). Векторы поляризации луча лазера и анализатора 6 перпендикулярны друг другу, а вектор оптической анизотропии образца направлен по биссектрисе угла между ними. Клин компенсатора 5 расположен так, чтобы уменьшать разность хода основного и неосновного лучей (перпендикулярно вектору анизотропии образца). Сигнал фотоприемника 7 поступает на преобразователь 8, который с помощью, например, электродвигателя 9 перемещает клин таким образом, чтобы сигнал фотоприемника 7 оставался постоянным. При этом изменение положения клина фиксируется датчиком 10.

Генератор 4 с помощью электромагнита 3 изменяет длину волны излучения лазера 2 в определенном диапазоне от λ₁ до λ₂. При этом компенсатор 5 изменяет свое положение от h₁ до h₂ (при постоянном сигнале после фотоприемника 7). Измерительный блок индицирует величину двулучепреломления, пропорциональную соотношению
α
Вместо оптического клина 5 можно применить компенсатор Бабине или Берека. Тогда надо будет измерять не величину перемещения клина, а угол поворота компенсатора.

Другой вариант реализации способа измерения с использованием компенсатора совершенно другого типа. Например, в качестве компенсатора используется оптически активный элемент (например, сегнетодиэлектрик) с напылением металла на его верхней и нижней поверхностях. В этом случае структурная схема прибора соответствует представленной на фиг. 2. Элементы 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 11 соответствуют обозначенным на фиг. 1. Элемент 5 представляет собой указанный выше оптически активный элемент с напылением металла. Блок 12 подает напряжение на этот элемент. Компенсирующий эффект элемента 5 пропорционален подаваемому напряжению. Преобразователь 8 так изменяет напряжение, поступающее с блока 12, чтобы оставить неизменным сигнал от фотоприемника 7. Измерительный блок 11 в этом случае индицирует величину двулучепреломления, пропорциональную соотношению
α где ΔU диапазон изменения напряжения на элементе 5.

Способ может быть использован для изучения свойств оптически прозрачных сред, например полимерных пленок, кристаллов природных и искусственных материалов и др. Сущность изобретения: изменяют длину волны исходного луча света, одновременно при этом поддерживают постоянным сигнал на выходе фотоприемника соответствующим изменением параметра, определяющего эффект компенсации, а величину двулучепреломления определяют по отношению диапазона изменения указанного параметра компенсатора к соответствующему ему диапазону изменения длины волны исходного луча света. 2 ил.

Способ измерения величины двулучепреломления, включающий пропускание монохроматического поляризованного луча света через образец с расположением вектора поляризации под углом 45^o к направлению оптической анизотропии и измерение силы света, прошедшего через образец луча, отличающийся тем, что изменяют длину волны луча света, одновременно при этом компенсатором поддерживают постоянным сигнал на выходе фотоприемника соответствующим изменением параметра, определяющего эффект компенсации, а величину двулучепреломления определяют по соотношению диапазона изменения указанного параметра компенсатора с соответствующему ему диапазону изменения длины волны исходного луча света.