ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР Российский патент 2006 года по МПК G01B9/02 G01N21/45 

Изобретение относится к измерительной технике в оптике, основанной на интерференции света, преимущественно к устройствам для измерения радиационно- и фотоиндуцированных изменений показателя преломления прозрачных сред, возникающих в результате внешнего воздействия, и может быть использовано при исследовании воздействия на оптические материалы высокоскоростных потоков частиц различного происхождения, а также потоков мощного электромагнитного излучения от мягкого рентгена до дальнего ИК.

Показатель преломления прозрачной среды является одной из основных констант, характеризующих исследуемый материал в условиях внешнего воздействия. В частности, при моделировании воздействия космической радиации на широкозонные оптические стекла и кристаллы одной из проблем является установление соответствия значений пострадиационных изменений показателя преломления тем изменениям, которые формируются непосредственно в процессе воздействия внешних ионизирующих излучений. В настоящее время создание измерительных устройств с использованием интерферометрических методов исследования прозрачных сред, которые позволяют получать информацию о динамике изменения материала по показателю преломления в процессе внешнего воздействия, является важной и актуальной задачей.

Анализ известных интерференционных методов, используемых для исследования образования и релаксации пространственных распределений изменения показателя преломления в процессе внешнего воздействия, показал, что методы, основанные на использовании различных интерферометров сдвига, являются одними из наиболее эффективных. В частности, широкое применение получили зеркальные интерферометры сдвига. Но по ряду конструктивных причин такие интерферометры обладают существенными ограничениями: невысокой помехозащищенностью от вибраций, от тепловых потоков в окружающей среде и недостаточной, в ряде случаев, чувствительностью измерений показателя преломления, а также невысокой контрастностью получаемой интерференционной картины. Другим, свободным от вышеперечисленных ограничений и наиболее перспективным подходом, на наш взгляд, является использование поляризационных интерферометров сдвига. Для устройств, использующих интерференцию поляризованных лучей, характерна возможность выбора направления визуализации изменений показателя преломления испытуемого материала, простота методики обработки интерферограмм и достаточно высокий контраст получаемой интерференционной картины.

Известен интерферометр бокового сдвига с треугольным ходом лучей для регистрации возмущений показателя преломления, индуцируемых излучением [А.Г.Бедрин, В.И.Вензель, В.Г.Докучаев, С.В.Лаврентюк.// Оптический журнал. Т.70. №4. 2003. С.38-43], включающий источник излучения, полупрозрачное зеркало, два поворотных зеркала и телевизионную камеру. В нем пучок света, пройдя через образец, делится системой зеркал на параллельные пучки, смещенные в поперечном направлении. Если волновые фронты сдвинутых относительно друг друга пучков неплоские, то в области их пересечения возникает интерференционная картина, вид которой определяется формой интерферирующих фронтов и величиной поперечного сдвига. При небольших сдвигах и поперечных размерах пучка невозмущенная интерференционная картина состоит из равноотстоящих друг от друга полос, перпендикулярных направлению сдвига. При воздействии интенсивного светового излучения на исследуемый образец стекла его показатель преломления изменяется и волновой фронт деформируется. Расшифровка интерференционной картины осуществляется по амплитудному методу, позволяющему охарактеризовать пространственные распределения возмущений показателя преломления стекла. В области изменения показателя преломления порядка 10^-4 относительная погрешность расчетов составляет менее 1%. Основными недостатками данного устройства являются недостаточно высокая чувствительность, невысокий контраст интерференционной картины и ограничение по форме волнового фронта, используемого для получения интерференционной картины.

Известен выбранный нами в качестве прототипа поляризационный интерферометр сдвига с произвольным направлением полос, в котором изображение исследуемого поля раздваивается с помощью двоякопреломляющего элемента [В.А.Комиссарук, В.И.Яничкин// ОМП. №1. 1970. С.29-31]. Данный интерферометр включает в себя источник света, осветительную щелевую диафрагму, объективы осветительной и приемной частей, интерференционно-поляризационный узел, включающий два поляроида и две призмы Волластона, и фотоаппарат. Исследуемый объект располагается между осветительной и приемной частями интерферометра. Первая призма Волластона, расположенная в осветительной части прибора на некотором расстоянии от щелевой диафрагмы, образует два разделенные по вертикали когерентные изображения этой диафрагмы за счет различия в преломлении лучей света, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях. В приемной части интерферометра расположена вторая призма Волластона, развернутая относительно первой на 90°. Вторая призма совмещена с обоими изображениями и не изменяет положения когерентных источников, она вводит горизонтальный сдвиг без вторичного раздвоения лучей. В области перекрытия обоих изображений наблюдается интерференционная картина, по которой определяется форма волновой поверхности.

Основными недостатками данного устройства являются недостаточно высокая светосила интерферометра, трудоемкость процедуры изменения угла наклона интерференционных полос, а также высокая стоимость и трудоемкость изготовления поляризационных элементов интерферометра и его сложная юстировка.

Нами предложен высокочувствительный светосильный поляризационный интерферометр, позволяющий достаточно просто и надежно измерять пространственные изменения показателя преломления прозрачных сред благодаря возможности изменения ширины и наклона интерференционных полос.

Поставленная цель достигается тем, что поляризационный интерферометр для измерения пространственных изменений показателя преломления прозрачных сред содержит последовательно установленные по ходу пучка осветительный узел, интерференционно-поляризационный узел из поляризатора, скрещенного с ним анализатора и размещенного между ними разделителя интерферирующих пучков, фоторегистрирующее устройство, где новым является то, что в качестве осветительного узла выбран узел, формирующий параллельный пучок, а разделитель интерферирующих пучков интерференционно-поляризационного узла выполнен в виде вырезанного из одноосного кристалла элемента с плоскопараллельными рабочими гранями, установленного с возможностью заклона в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, которые, в свою очередь, перпендикулярны плоскости просвечивающего сечения оптической системы интерферометра.

Конструктивные решения осветительных узлов, позволяющих формировать параллельный пучок, известны.

Для получения большого светового диаметра пучка в плоскости просвечивающего сечения в качестве разделителя интерферирующих пучков интерференционно-поляризационного узла используется плоскопараллельная пластина, вырезанная из одноосного кристалла.

Использование в качестве разделителя интерферирующих пучков интерференционно-поляризационного узла параллелепипеда, вырезанного из одноосного кристалла, с четырьмя рабочими полированными гранями, одна пара которых параллельна, а другая перпендикулярна оптической оси кристалла, позволяет совместить в одном элементе два разделителя интерферирующих пучков с различной ориентацией оптической оси кристалла относительно его рабочих граней.

Если параллельный пучок осветительного узла выполнить широким, то появляется возможность получения информации об изменении показателя преломления в широкой области исследуемого образца.

Разделитель интерферирующих пучков интерференционно-поляризационного узла мы используем с ориентацией оптической оси либо параллельно, либо перпендикулярно его рабочим граням. Данная ориентация общепринята в оптике и является более доступной с технологической точки зрения.

Новое конструктивное решение поляризационного интерферометра с использованием разделителя интерферирующих пучков из двулучепреломляющего кристалла с возможностью заклона его в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, которые, в свою очередь, перпендикулярны плоскости просвечивающего сечения оптической системы интерферометра, дает возможность одновременно изменять ширину и угол наклона интерференционных полос в плоскости локализации интерференционной картины за счет изменения плоскости пространственного разделения и величины смещения интерферирующих пучков. Это обеспечивает высокую чувствительность измерений изменения показателя преломления исследуемой среды. Благодаря использованию минимального количества оптических элементов, поглощающих и рассеивающих излучение источника, достигается высокий контраст интерференционной картины при высокой светосиле предлагаемого поляризационного интерферометра.

На Фиг.1 приведена схема предлагаемого поляризационного интерферометра, где источник 1 света, объектив 2 осветительного узла, поляризатор 3, разделитель 4 интерферирующих пучков, вырезанный из одноосного кристалла, анализатор 5, фотоприемное устройство 6, исследуемый объект 7;

АА - оптическая ось интерферометра;

OX, OY, OZ, О'X', О'Y', O'Z', - координатные оси;

XOY - плоскость просвечивающего сечения, YOZ, XOZ - меридиональная и сагиттальная плоскости, перпендикулярные плоскости XOY;

X'O'Y' - плоскость регистрации интерферограммы;

b - ширина интерференционной полосы;

α и ϕ - углы заклонов разделителя 4 интерферирующих пучков в плоскостях XOZ и YOZ соответственно;

ω - угол наклона интерференционных полос.

На Фиг.2 представлена интерферограмма в поле зрения интерферометра в плоскости Х'O'Y', где

ВВ - граница облученной зоны образца;

b - ширина интерференционной полосы;

q - сдвиг интерференционной полосы вблизи границы облученной зоны образца в точке с координатами В'(х_b, y_b);

ω - угол наклона интерференционных полос.

Устройство работает следующим образом: источник 1 света с помощью объектива 2 осветительного узла, формирующего широкий параллельный пучок света для просвечивания в широкой области исследуемого объекта 7, освещает поляризатор 3. Поляризатор 3 пропускает излучение, поляризованное под углом 45° к сагиттальной плоскости XOZ (Фиг.1). Благодаря возможности заклона разделителя 4 интерферирующих пучков в двух взаимно перпендикулярных плоскостях YOZ и XOZ плоскополяризованный параллельный пучок света при прохождении через разделитель 4 интерферирующих пучков расщепляется на два пучка - обыкновенный и необыкновенный. Смещение обыкновенного и необыкновенного пучков происходит в плоскости, ориентация которой определяется углами заклона разделителя 4 интерферирующих пучков. Относительное смещение S пучков равно

где n₀ - показатель преломления кристалла для обыкновенной волны;

n_е - показатель преломления кристалла для необыкновенной волны;

Δn=(n₀-n_e) - двулучепреломление разделителя интерферирующих пучков;

n_сред - показатель преломления окружающей среды;

ϕ - угол падения пучка на разделитель интерферирующих пучков, лежащий в меридиональной плоскости YOZ;

d - толщина разделителя интерферирующих пучков.

Значения угла падения определяют из условия

-ϕ_крит≤ϕ≤ϕ_крит,

где ϕ_крит - критическое значение величины угла падения, соответствующее пределу справедливости линейной аппроксимации зависимости относительного смещения пучков S от угла ϕ падения пучка на разделитель интерферирующих пучков с заданной погрешностью.

Анализатор 5, расположенный за разделителем 4 интерферирующих лучей и скрещенный с поляризатором 3, сводит колебания необыкновенного и обыкновенного лучей в одну плоскость. В области перекрытия пучков в зависимости от разности хода пучки интерферируют. В поле зрения интерферометра с помощью фотоприемного устройства 6 регистрируют возникающую интерференционную картину в виде системы интерференционных полос с шириной b

где f₀ - фокусное расстояние объектива осветительного узла;

λ - длина волны просвечивающего излучения;

S - относительное смещение пучков.

Угол ω наклона и ширина b интерференционных полос определяют ориентацией оптической оси кристалла относительно плоскости XOY просвечивающего сечения, которую получают поворотом разделителя 4 интерферирующих лучей во взаимно перпендикулярных плоскостях - сагиттальной XOZ и меридиональной YOZ (Фиг.1). Это позволяет увеличить диапазон изменения ширины интерференционных полос для всех практически значимых ситуаций при исследованиях изменения показателя преломления оптических сред в диапазоне 10^-2-10^-6.

Исследуемый объект 7 помещают между разделителем 4 интерферирующих пучков и анализатором 5. Фазовый сдвиг Δδ, вносимый объектом 7 с меняющимся показателем преломления, между интерферирующими лучами определяют как

где (z₂-z₁) - геометрическая толщина исследуемого объекта;

N(x,y,z) - измененный в результате внешнего воздействия показатель преломления исследуемого объекта в точке с координатами (x,y,z);

N₀(x,y,z) - начальный показатель преломления исследуемого объекта в точке с координатами (x,y,z).

При изменении разности хода двух пучков света в зависимости от показателя преломления объекта 7 наблюдается сдвиг интерференционных полос на расстояние, прямо пропорциональное изменению показателя преломления. Этот сдвиг q выражают в единицах расстояния между полосами. Сдвиг на одну целую полосу соответствует изменению оптического пути на одну целую длину волны λ. При возрастании показателя преломления объекта 7 в ходе внешнего воздействия от N₀(x,y,z) до N(x,y,z) оптическая разность хода изменится на величину Δ и сдвиг полос составит q полос. В общем случае

где Δδ - фазовый сдвиг;

λ - длина волны просвечивающего излучения.

Пример конкретного исполнения

На нашем предприятии был изготовлен и использован предложенный поляризационный интерферометр для радиационных испытаний на стенде, моделирующем воздействие факторов космического пространства на низких околоземных орбитах. Испытания проводились на оборудовании и образцах, изготовленных на оптическом производстве предприятия и аттестованных по стандартным методикам в опытно-технической лаборатории.

Измерение толщин оптических элементов осуществлялось с помощью аттестованного толщиномера ИЗВ-21 с индикаторной головкой с точностью 1 мкм.

Измерение углов поворота и заклона осуществлялось с помощью лимбов, аттестованных на гониометре ГС-2 с точностью 30'.

Измерение углов ориентации оптической оси кристалла относительно рабочих граней разделителя интерферирующих пучков осуществлялось с помощью рентгеновского гониометра ГУР-4 установки УРС-50ИМ с точностью 2'.

Регистрация интерференционной картины проводилась с помощью цифровой камеры Panasonic DMC-LC33T. Обработка полученных интерферограмм осуществлялась методами цифровых технологий на персональном компьютере Р4 Titan 533.

Значения оптических констант используемого двулучепреломляющего кристалла исландского шпата (CaCO₃) взяты из справочной литературы.

В качестве конкретного примера исполнения заявленного изобретения приводим описание регистрации на предлагаемом интерферометре изменения в плоскости X'O'Y' показателя преломления образца 7 оптического кристалла CaF₂ толщиной l=3,0040 мм в результате внешнего импульсного светового облучения в ВУФ диапазоне спектра с поглощенной дозой 10⁶ рад.

В качестве источника 1 излучения осветительного узла использовался газовый лазер ГН-5П, который с помощью микрообъектива ОМ-12 освещал объектив 2. В качестве объектива 2 осветительного узла интерферометра использовался объектив-ахромат с фокусным расстоянием f₀=75 мм и световым диаметром 40 мм.

В качестве поляризатора 3 и анализатора 5 использовались поляроиды в оправах с возможностью поворота вокруг оси интерферометра AA с точностью 30'.

Разделитель 4 интерферирующих пучков был выполнен в виде кубика из одноосного кристалла - исландского шпата (СаСО₃), толщиной d=31,005 мм между полированными рабочими гранями и площадью просвечивающего сечения 7 см². Оптическая ось кристалла была ориентирована параллельно одной паре рабочих граней с точностью 3', и перпендикулярно другой паре рабочих граней с точностью 7'. Угол ω изменяли в диапазоне от -90° до +90°. Ширина b полосы выбрана так, что величина сдвига q составляла величину не менее 0,1b. Для выполнения этих условий оптическая ось разделителя 4 интерферирующих пучков была ориентирована вдоль оси OY параллельно его рабочим граням. Разделитель 4 интерферирующих пучков заклоняли в сагиттальной плоскости XOZ на угол α, соответствующий выбранному углу ω наклона интерференционных полос на основе полученной ранее градуировочной кривой ω=ω(α) для используемого разделителя 4 интерферирующих пучков, и в меридиональной плоскости YOZ - на угол ϕ, величина которого была определена из условий (1) и (2):

где f₀ - фокусное расстояние осветительного узла;

λ - длина волны просвечивающего излучения;

n₀, - показатель преломления кристалла для обыкновенной волны;

n_e - показатель преломления кристалла для необыкновенной волны;

b - ширина интерференционных полос;

d - толщина разделителя интерферирующих пучков;

n_сред - показатель преломления окружающей среды;

Δn=(n₀-n_e) - двулучепреломление разделителя интерферирующих пучков.

При изменении угла ω наклона интерференционных полос от -90° до +90° установлено, что максимальное изменение сдвига интерференционных полос (и соответственно максимальное изменение показателя преломления облученного образца) находится вблизи границы облученной зоны образца в направлении ВВ (Фиг.2).

Представленная на фиг.2 интерферограмма в поле зрения интерферометра в плоскости X'O'Y' имеет следующие параметры: угол наклона интерференционных полос ω=23,20°, ширину интерференционной полосы b=5,7 мм. При этом угол α=11,14°, угол ϕ=2,21° при f₀=75 мм, λ=0,6328 мкм, n₀=1,6557, n_e=1,4852, d=31,0040 мм, n_сред=1,0003, Δn=0,1720.

Сдвиг интерференционных полос q для области с координатами В'(х_b, y_b) определен с использованием компьютерных технологий и равен 0,33 полосы. Изменение показателя преломления ΔN при этом равно

где N(x_b, y_b) - измененный в результате внешнего воздействия показатель преломления исследуемого объекта в точке с координатами (х_b, y_b),

N₀(x_b, y_b) - начальный показатель преломления исследуемого объекта в точке с координатами (х_b, y_b);

q - сдвиг интерференционных полос;

λ - длина волны просвечивающего излучения;

l - толщина образца.

Общая относительная погрешность измерений ε_отн при выбранных параметрах ω и b равна

Для серии из i=10 экспериментов проведена обработка полученных результатов измерения изменения показателя преломления ΔN_i известными статистическими методами оценки результатов измерений с учетом систематической и случайной составляющих погрешности результатов косвенных измерений.

Предельная чувствительность измерения величины сдвига интерференционных полос составила q=0,02, что соответствует величине изменения показателя преломления ΔN_min=5·10^-6.

В условиях вибраций с частотой от 1 Гц до 1 кГц смещение интерференционных полос не превышало 0,05 ширины полосы.

При проведении испытаний предлагаемого интерферометра в лабораторных условиях уровень влияния тепловых потоков в окружающей среде не превышал уровня чувствительности измерений, что обусловлено, в первую очередь, конструктивными особенностями принципиальной схемы интерферометра и отсутствием неравномерного расширения ветвей интерферометра.

Таким образом, было установлено, что одновременный заклон разделителя интерферирующих пучков интерференционно-поляризационного узла в двух плоскостях относительно выбранного направления изменяет ориентацию плоскости пространственного разделения параллельных пучков интерферометра и задает угол наклона и ширину полос получаемой в поле зрения интерферометра интерференционной картины при выбранной ориентации разделителя, его толщине и величине двулучепреломления кристалла.

Выполнение указанных выше условий в предложенном устройстве позволило получить новый технический эффект:

- увеличение помехозащищенности интерферометра от вибрации и от тепловых потоков;

- увеличение чувствительности измерения изменения показателя преломления исследуемого объекта до 5·10^-6;

- получение возможности определения направления максимального изменения показателя преломления исследуемого образца;

- значительное упрощение процедуры юстировки предлагаемого поляризационного интерферометра;

- упрощение процедуры обработки получаемых интерферограмм на предлагаемом поляризационном интерферометре;

- уменьшение себестоимости поляризационного интерферометра;

- увеличение светосилы поляризационного интерферометра при высоком контрасте интерференционной картины.

Поляризационный интерферометр для измерения пространственных изменений показателя преломления прозрачных сред содержит последовательно установленные по ходу пучка осветительный узел, интерференционно-поляризационный узел из поляризатора, анализатора и размещенного между ними разделителя интерферирующих пучков, фоторегистрирующее устройство. В качестве осветительного узла выбран узел, формирующий параллельный пучок. Разделитель интерферирующих пучков интерференционно-поляризационного узла выполнен в виде элемента с плоскопараллельными рабочими гранями, вырезанного из одноосного кристалла и установленного с возможностью заклона в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, которые, в свою очередь, перпендикулярны плоскости просвечивающего сечения оптической системы интерферометра. Технический результат - простое и надежное измерение пространственного изменения показателя преломления прозрачных сред. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Поляризационный интерферометр для измерения пространственных изменений показателя преломления прозрачных сред, содержащий последовательно установленные по ходу пучка осветительный узел, интерференционно-поляризационный узел из поляризатора, скрещенного с ним анализатора и размещенного между ними разделителя интерферирующих пучков, фоторегистрирующее устройство, отличающийся тем, что в качестве осветительного узла выбран узел, формирующий параллельный пучок, а разделитель интерферирующих пучков интерференционно-поляризационного узла выполнен в виде элемента с плоскопараллельными рабочими гранями, вырезанного из одноосного кристалла и установленного с возможностью заклона в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, которые, в свою очередь, перпендикулярны плоскости просвечивающего сечения оптической системы интерферометра.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что разделитель интерферирующих пучков интерференционно-поляризационного узла выполнен в виде плоскопараллельной пластины.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что разделитель интерферирующих пучков интерференционно-поляризационного узла выполнен в виде параллелепипеда с четырьмя рабочими полированными гранями, одна из которых параллельна, а другая перпендикулярна оптической оси кристалла.4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что в качестве осветительного узла выбран узел, формирующий широкий пучок.