ФАЗОСДВИГАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2006 года по МПК G02B5/30 

Изобретение относится к поляризационной оптической технике и может быть использовано при изготовлении различных оптических устройств, в частности эллипсометров.

Фазосдвигающие устройства широко используются в различных областях науки и техники. Существующие различные фазосдвигающие устройства условно классифицируются по принципу работы, конструкции, области применения и другим признакам. К наиболее простым фазосдвигающим устройствам относятся фазосдвигающие пластинки из двулучепреломляющих кристаллов таких как, например кристаллический кварц, кальцит, ниобат лития (Шерклифф У. Поляризованный свет. М., «Мир», 1965 г., стр.117-141; Азам Р., Башара Н. Эллипсометрия и поляризованный свет. М., «Мир», 1981 г., стр.420-423). Однако вне зависимости от классификации при изготовлении практически любого фазосдвигающего устройства, существуют негативные факторы, затрудняющие реализацию прецизионного фазосдвигающего устройства.

Изготовление фазосдвигающих пластин с нулевым периодом является довольно сложным, поскольку они обладают сравнительно малой толщиной, период фазосдвигающей пластины из кристаллического кварца, или кальцита, или ниобата лития для длины волны 0,6328 мкм равен, соответственно, мкм: 69; 3,7; 7 (Хасанов Т. «Определение параметров фазовой пластинки и однозонная методика эллипсометрических измерений». Эллипсометрия: теория, методы, приложения. Новосибирск, «Наука», Сибирское отделение. 1987 г., с.137-140). Толщина четвертьволновой фазосдвигающей пластины с нулевым периодом составляет четвертую часть периода.

Для фазосдвигающих пластин, характеризующихся большим числом периодов и имеющих по сравнению с пластинами с нулевым периодом большую толщину, наблюдается сильная температурная зависимость сдвига фаз и дихроизма (Мардежов А.С., Семененко А.И., Хасанов Т. «Температурная зависимость параметров компенсатора». Эллипсометрия, метод исследования поверхности. Новосибирск, «Наука», Сибирское отделение, 1983 г., стр.79-83).

Для устранения влияния температурной зависимости фазосдвигающие устройства изготавливают из двух фазосдвигающих пластин на оптическом контакте (Основы эллипсометрии. / Под редакцией А.В.Ржанова, Новосибирск, «Наука», Сибирское отделение, 1979 г., стр.272-286). Однако это обстоятельство при изготовлении фазосдвигающих устройств приводит к другим негативным факторам, в частности, в фазосдвигающих устройствах, изготовленных на оптическом контакте, возникает напряжение и как следствие паразитное двулучепреломление. Кроме этого в подобных устройствах существует проблема точности ориентации «быстрой» и «медленной» осей фазосдвигающих пластин относительно друг друга. Частичное устранение приведенных негативных факторов возможно путем использования воздушного зазора и просветления (Рыхлицкий С.В., Свиташев К.К, Соколов К.К., Хасанов Т. «О влиянии многократного отражения на роботу фазовой кварцевой пластинки». Оптика и спектроскопия, т.63, в.5, 1987 г., с.1092-1094), а также подбора фазового сдвига каждой фазосдвигающей пластины при сборке фазосдвигающего устройства (а.с. СССР №1675817, МПК: G 02 В 5/30). Например, термически стабильное четвертьволновое фазосдвигающее устройство с нулевым периодом состоит из двух фазосдвигающих пластин со сдвигом фаз: λ(2πk+1/2) и λ(2πk+1/4), которые выполнены с зазором, каждая в отдельных оправах, где k - число периодов.

Известно фазосдвигающее устройство (а.с. СССР №1829824, МПК: Н 01 S 3/10, G 02 В 5/30), содержащее двулучепреломляющую пластину толщиной, определяемой соотношением

где k - число длин волн,

m_i - натуральное число,

α_i - сдвиг фазы для i - волны в долях периода, при этом α_i<1d_0iλ_i/Δn, λ_i - длина волны,

Δn_i - показатель двулучепреломления, причем для произвольного i,

d_0i(m_i+α_i)=const.

К недостаткам известного технического решения относится отсутствие возможности проведения какой-либо точности настройки данного фазосдвигающего устройства, поскольку оно выполнено в виде одной двулучепреломляющей пластины. Также самой конструкцией устройства обусловлено возникновение добавочного паразитного двулучепреломления. Кроме того, устройство предназначено только для дискретных длин волн.

Известно фазосдвигающее устройство (Зайдель А.Н.., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практика спектроскопии. М., «Наука», 1972, стр.244-245), содержащее две фазосдвигающие пластины, причем каждая из пластин составлена из слоев двух веществ, дающих температурное смещение в противоположные стороны, являясь, таким образом, двулучепреломляющим кристаллом определенной строго заданной толщины.

К недостаткам известного технического решения относится невозможность проведения точной настройки данного фазосдвигающего устройства, обусловленное его конструктивными особенностями, а именно, отсутствием в описанной конструкции элементов, предназначенных для этого. По этой же причине приведенному техническому решению свойственны паразитное двулучепреломление, отсутствие точной ориентации «быстрой» и «медленной» осей фазосдвигающих пластин относительно друг друга.

Данное фазосдвигающее устройство компенсирует изменение сдвига фаз, обусловленное только изменением толщины при изменении температуры. Кроме того, пластины в подобных устройствах необходимо выбирать относительно толстыми, например, для кристаллического кварца толщиной порядка 32 мм, что неизбежно приводит к возникновению температурных флуктуаций внутри каждой из пластин, и как следствие к невозможности использования данной конструкции для реализации прецизионного фазосдвигающего устройства.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является фазосдвигающее устройство (а.с. СССР №1675817, МПК: G 02 В 5/30), содержащее две фазосдвигающие пластины, установленные с зазором на вычитание вносимых ими сдвигов фаз, причем сдвиг фаз δ каждой из пластин выбран из условия достижения функцией sin²(δ/2) максимально возможного значения для заданной величины суммарного фазового сдвига устройства, а рабочие поверхности пластин просветлены.

К недостаткам известного технического решения относится низкая точность настройки фазосдвигающих пластин относительно друг друга, наличие паразитного двулучепреломления, невозможность достижения высокоточной ориентации «быстрой» и «медленной» осей фазосдвигающих пластин относительно друг друга. Указанный недостаток обусловлен конструктивными особенностями выполнения фазосдвигающего устройства, главным образом, выполнением крепления фазосдвигающих пластин. В подобно выполненных устройствах при оптическом контакте фазосдвигающих пластин неизбежно возникновение напряжения и добавочного паразитного двулучепреломления, а также невозможно достижение высокоточной ориентации «быстрой» и «медленной» осей фазосдвигающих пластин относительно друг друга.

Техническим результатом изобретения является повышение точности настройки фазосдвигающих пластин относительно друг друга, устранение паразитного двулучепреломления, достижение высокоточной ориентации «быстрой» и «медленной» осей фазосдвигающих пластин относительно друг друга.

Технический результат достигается тем, что фазосдвигающее устройство, содержащее две фазосдвигающие пластины, установленные с зазором на вычитание вносимых ими сдвигов фаз, снабжено корпусом, оправой и тремя сферическими пружинами, причем первая фазосдвигающая пластина выполнена в корпусе и неподвижно зафиксирована сферической пружиной, вторая фазосдвигающая пластина выполнена в оправе и зафиксирована второй сферической пружиной, оправа с фазосдвигающей пластиной и закрепляющей второй сферической пружиной размещена в корпусе и зафиксирована третьей сферической пружиной с возможностью вращения вокруг оптической оси фазосдвигающего устройства вместе с оправой для осуществления юстировки.

В фазосдвигающем устройстве сферические пружины изготовлены по форме в виде сферической поверхности, вырезанной в виде круга, в центре которой вырезан круг меньшего радиуса, а по наружному периметру сферической поверхности вырезаны лепестки, причем диаметр первой и второй сферических пружин одинаков, а третья сферическая пружина выполнена большим диаметром или сферические пружины изготовлены по форме в виде сферической поверхности, вырезанной в виде круга, в центре которой вырезан круг меньшего радиуса, с вырезанными лепестками по наружному и внутреннему периметрам сферической поверхности первой и второй сферических пружин одинакового диаметра, а третья сферическая пружина выполнена большим диаметром с вырезанными лепестками только по наружному периметру.

В фазосдвигающем устройстве вторая фазосдвигающая пластина выполнена в оправе и зафиксирована второй сферической пружиной с возможностью вращения вокруг оптической оси фазосдвигающего устройства вместе с оправой для осуществления юстировки в пределах 360°.

В фазосдвигающем устройстве по периметру фазосдвигающих пластин между первой фазосдвигающей пластиной и корпусом и первой фазосдвигающей пластиной и сферической пружиной, а также между второй фазосдвигающей пластиной и оправой и второй фазосдвигающей пластиной и сферической пружиной выполнены прокладки.

В фазосдвигающем устройстве сферические пружины выполнены с возможностью осуществления прижима своей выпуклой сферической поверхностью.

Сущность изобретения поясняется нижеприведенным описанием и прилагаемыми фигурами. На фиг.1 и 2 представлены фазосдвигающие устройства, реализованные с использованием насыпной конструкции, где 1 - корпус, 2 - оправа, 3 - резьбовое кольцо, 4 - резьбовое кольцо, 5 - стопорный винт, 6 - фазосдвигающая пластина, 7 - фазосдвигающая пластина, 8 - прокладка, 9 - прижимное кольцо, 10 - юстировочное кольцо, 11 - прокладка, 12 - винт, 13 - винт, 14 - крышка. На фиг.3 представлена заявляемая конструкция фазосдвигающего устройства, где 1 - корпус, 2 - оправа, 6 - фазосдвигающая пластина, 7 - фазосдвигающая пластина, 8 - прокладка, 15 - сферическая пружина, 16 - сферическая пружина, 17 - сферическая пружина большего диаметра. На фиг.4 показана сферическая пружина с лепестками по наружному периметру. На фиг.5 показана сферическая пружина с лепестками по наружному и внутреннему периметрам.

Указанный технический результат обеспечивается, главным образом, наличием в предлагаемом фазосдвигающем устройстве сферических пружин (фиг.4).

При реализации фазосдвигающего устройства с использованием обычной насыпной конструкции, широко применяемой в оптическом приборостроении для крепления оптических элементов, крепление фазосдвигающей пластины (6), осуществляется за счет прижима через прокладку (8) к корпусу (1) резьбовым кольцом (3) (см. фиг.1 и 2). При этом корпус (1) изготавливается в виде цилиндра, на внутренней поверхности которого выполнена резьба. Фазосдвигающая пластина (6) закрепляется резьбовым кольцом (3), выполненным в виде шайбы с резьбой на наружной боковой поверхности. Для уменьшения напряжения на фазосдвигающей пластине (6) между дном цилиндра и фазосдвигающей пластиной, а также между фазосдвигающей пластиной и шайбой выполнены прокладки (8). Однако, несмотря на наличие прокладок (8), снижающих напряжение при зажатии фазосдвигающей пластины (6), между ней и резьбовым кольцом (3), возникает дополнительное неконтролируемое напряжение при закреплении в корпусе (1). Юстировка фазосдвигающей пластины (7) в корпусе (1) осуществляется вращением оправы (2), размещенной за резьбовым кольцом (4) (см. фиг.1). При этом существует большая вероятность как отжатая, так и, наоборот, сильного зажатия фазосдвигающей пластины (7). В первом случае при работе фазосдвигающего устройства вследствие возможного вращения (поскольку отжато резьбовое кольцо) будет нарушена юстировка, во втором случае за счет сильного зажатия возможно увеличение напряжения и возникновение паразитного двулучепреломления. После осуществления более или менее точной юстировки фазосдвигающей пластины (7) в оправе (2) ее фиксируют в корпусе (1) посредством стопорного винта (5). Причем в момент фиксации есть большая вероятность отклонения от требуемого положения фазосдвигающей пластины (7), в результате чего возникает необходимость в многократной юстировке.

Эти же особенности присущи и конструкции, представленной на (фиг.2), в которой вместо резьбовых колец использовано прижимное кольцо (9) с тремя отверстиями под винты (12) и (13).

Применение сферических пружин (фиг.4 и 5) при креплении фазосдвигающих пластин решает вопрос достижения точной юстировки, устранения паразитного двулучепреломления, ориентации «быстрой» и «медленной» осей фазосдвигающих пластин относительно друг друга, фиксации заданного положения фазосдвигающих пластин относительно друг друга. При этом фазосдвигающие пластины (6) и (7) фиксируются в корпусе (1) и оправе (2) сферическими пружинами (15) и (16), соответственно (см. фиг.3). Пружины (Фиг.4 и 5) обеспечивают надежную фиксацию пластин в корпусе и оправе. Выполненные лепестки по наружному/и внутреннему периметру сферической пружины (15)/(16) позволяют плавно прижимать фазосдвигающую пластину (6)/(7) и обеспечивать жесткий упор в корпусе (1) или оправе (2), не вызывая при этом возникновения напряжения в пластинах и, соответственно, паразитное двулучепреломление. Дополнительное выполнение лепестков в сферических пружинах по внутреннему периметру еще больше усиливает эффект снижения напряжения, обеспечивая устранение паразитного двулучепреломления в большей степени, а также повышая точность юстировки, ориентации «быстрой» и «медленной» осей фазосдвигающих пластин. Третья сферическая пружина (17), выполненная большим диаметром, с лепестками по наружному периметру (фиг.4) закрепляет вторую фазосдвигающую пластину (7) с оправой (2) в корпусе (1), не препятствуя при этом осуществлению прецизионной юстировки.

Фазосдвигающее устройство содержит корпус (1), оправу (2), фазосдвигающую пластину (6), фазосдвигающую пластину (7), прокладки (8), сферическую пружину (15), сферическую пружину (16), сферическую пружину (17) большего диаметра.

Первая фазосдвигающая пластина (6) выполнена в корпусе (1) неподвижной, а вторая фазосдвигающая пластина (7) в отдельной оправе (2) выполнена с возможностью вращения вокруг оптической оси прибора вместе с оправой (2) в пределах 360° для осуществления юстировки. Сферическая пружина (15) выполнена с возможностью прижима своей выпуклой сферической поверхностью фазосдвигающей пластины (6) к корпусу (1). По периметру фазосдвигающей пластины (6) между корпусом (1) и фазосдвигающей пластиной (6), а также фазосдвигающей пластиной (6) и сферической пружиной (15) выполнена прокладка (8). Сферическая пружина (16) выполнена с возможностью прижима своей выпуклой сферической поверхностью фазосдвигающей пластины (7) к оправе (2). По периметру фазосдвигающей пластины (7) между оправой (2) и фазосдвигающей пластиной (7), а также фазосдвигающей пластиной (7) и сферической пружиной (16) выполнена прокладка (8). Оправа (2) с размещенной в ней фазосдвигающей пластиной (7), прижимающей сферической пружиной (16) и прокладками (8), расположена в корпусе (1). Сферическая пружина (17) выполнена большим диаметром, чем сферические пружины (15) и (16), и с возможностью крепления оправы (2) с размещенной в ней фазосдвигающей пластиной (7), прижимающей сферической пружиной (16) и прокладками (8) к корпусу (1).

По форме сферические пружины (15), (16) и (17) представляют собой сферическую поверхность, вырезанную в виде круга, в центре которой вырезан круг меньшего радиуса, а по наружному периметру сферической поверхности вырезаны лепестки. Сферические пружины (15) и (16) выполняют также и в варианте с лепестками по внутреннему периметру (фиг.5) в зависимости от достижения требуемой точности настройки.

Предлагаемую конструкцию фазосдвигающего устройства используют следующим образом (фиг.3).

Фазосдвигающую пластину (6) вставляют в корпус (1) и закрепляют сферической пружиной (15) в корпусе (1). Фазосдвигающую пластину (7) вставляют в оправу (2) и закрепляют в оправе сферической пружиной (16). Затем оправу (2) с фазосдвигающей пластиной (7), закрепленной сферической пружиной (16), вставляют в корпус (1) и закрепляют сферической пружиной (17). После чего осуществляют прецизионную юстировку фазосдвигающей пластины (7) вместе с оправой (2) в корпусе (1). Для юстировки используют ключ, выполненный в виде полого цилиндра с расположенными на его основании диаметральными штырями, которые вставляют при юстировке между лепестками пружины.

Достигаемая точность юстировки может составлять доли угловой секунды.

При вращении оправа (2) с фазосдвигающей пластиной (7) в процессе юстировки находится под постоянным натягом сферической пружины (17) большего диаметра.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обладает следующими преимуществами.

1. Значительно уменьшены габариты конструкции фазосдвигающего устройства в результате отсутствия прижимных колец, винтов, фиксирующих винтов с боку и с торца.

2. Отсутствие прижимных колец, винтов, фиксирующих винтов с боку и с торца повышает надежность устройства в отношении его настройки.

3. Осуществление возможности контролирования минимальных напряжений на фазосдвигающих пластинах и, соответственно, паразитного двулучепреломления.

4. Достижение возможности проведения юстировки второй фазосдвигающей пластины без разборки всего устройства и повторной юстировки первой фазосдвигающей пластины.

5. Достижение возможности проведения юстировки второй фазосдвигающей пластины в состоянии рабочего процесса фазосдвигающего устройства.

6. Достижение возможности выбора степени напряжения на фазосдвигающей пластине при их зажатии за счет подбора диаметра сферической пружины.

7. Достижение возможности ограничения напряжения на фазосдвигающей пластине при их зажатии путем подбора диаметра сферической пружины.

8. Существенное сокращение трудоемкости при юстировке фазосдвигающих пластин и сборке фазосдвигающего устройства.

9. Существенная экономия материала при изготовлении фазосдвигающего устройства.

10. Существенная экономия времени при изготовлении фазосдвигающего устройства.

Изобретение относится к поляризационной оптической технике и может быть использовано при изготовлении оптических устройств. Устройство содержит две фазосдвигающие пластины, снабжено корпусом, оправой и тремя сферическими пружинами. Первая фазосдвигающая пластина выполнена в корпусе и неподвижно зафиксирована сферической пружиной. Вторая фазосдвигающая пластина выполнена в оправе и зафиксирована второй сферической пружиной. Оправа с фазосдвигающей пластиной и закрепляющей второй сферической пружиной размещена в корпусе. Оправа зафиксирована третьей сферической пружиной с возможностью вращения вокруг оптической оси фазосдвигающего устройства. Технический результат - повышение точности настройки фазосдвигающих пластин относительно друг друга, устранение паразитного двулучепреломления, достижение высокоточной ориентации «быстрой» и «медленной» осей фазосдвигающих пластин относительно друг друга. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Фазосдвигающее устройство, содержащее две фазосдвигающие пластины, установленные с зазором на вычитание вносимых ими сдвигов фаз, отличающееся тем, что снабжено корпусом, оправой и тремя сферическими пружинами, причем первая фазосдвигающая пластина выполнена в корпусе и неподвижно зафиксирована сферической пружиной, вторая фазосдвигающая пластина выполнена в оправе и зафиксирована второй сферической пружиной, оправа с фазосдвигающей пластиной и закрепляющей второй сферической пружиной размещена в корпусе и зафиксирована третьей сферической пружиной с возможностью вращения вокруг оптической оси фазосдвигающего устройства вместе с оправой для осуществления юстировки.2. Фазосдвигающее устройство по п.1, отличающееся тем, что сферические пружины изготовлены по форме в виде сферической поверхности, вырезанной в виде круга, в центре которой вырезан круг меньшего радиуса, а по наружному периметру сферической поверхности вырезаны лепестки, причем диаметр первой и второй сферических пружин одинаков, а третья сферическая пружина выполнена большим диаметром или сферические пружины изготовлены по форме в виде сферической поверхности, вырезанной в виде круга, в центре которой вырезан круг меньшего радиуса, с вырезанными лепестками по наружному и внутреннему периметрам сферической поверхности первой и второй сферических пружин одинакового диаметра, а третья сферическая пружина выполнена большим диаметром с вырезанными лепестками только по наружному периметру.3. Фазосдвигающее устройство по п.1, отличающееся тем, что вторая фазосдвигающая пластина выполнена в оправе и зафиксирована второй сферической пружиной с возможностью вращения вокруг оптической оси фазосдвигающего устройства вместе с оправой для осуществления юстировки в пределах 360°.4. Фазосдвигающее устройство по п.2, отличающееся тем, что вторая фазосдвигающая пластина выполнена в оправе и зафиксирована второй сферической пружиной с возможностью вращения вокруг оптической оси фазосдвигающего устройства вместе с оправой для осуществления юстировки в пределах 360°.5. Фазосдвигающее устройство по п.1, отличающееся тем, что по периметру фазосдвигающих пластин, между первой фазосдвигающей пластиной и корпусом и первой фазосдвигающей пластиной и сферической пружиной, а также между второй фазосдвигающей пластиной и оправой и второй фазосдвигающей пластиной и сферической пружиной выполнены прокладки.6. Фазосдвигающее устройство по п.2, отличающееся тем, что по периметру фазосдвигающих пластин, между первой фазосдвигающей пластиной и корпусом и первой фазосдвигающей пластиной и сферической пружиной, а также между второй фазосдвигающей пластиной и оправой и второй фазосдвигающей пластиной и сферической пружиной выполнены прокладки.7. Фазосдвигающее устройство по п.3, отличающееся тем, что по периметру фазосдвигающих пластин, между первой фазосдвигающей пластиной и корпусом и первой фазосдвигающей пластиной и сферической пружиной, а также между второй фазосдвигающей пластиной и оправой и второй фазосдвигающей пластиной и сферической пружиной выполнены прокладки.8. Фазосдвигающее устройство по п.4, отличающееся тем, что по периметру фазосдвигающих пластин, между первой фазосдвигающей пластиной и корпусом и первой фазосдвигающей пластиной и сферической пружиной, а также между второй фазосдвигающей пластиной и оправой и второй фазосдвигающей пластиной и сферической пружиной выполнены прокладки.9. Фазосдвигающее устройство по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что сферические пружины выполнены с возможностью осуществления прижима своей выпуклой сферической поверхностью.