Способ измерения показателей преломления и поглощения сред Советский патент 1983 года по МПК G01N21/43 

(5) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРЕЛОМЛЕНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ СРЕД

Изобретение относится к технической физике и предназначено для измерения показателей преломления п и поглощения k исследуемых поглощающих излучение сред. Оно может быт использовано в химической, пищевой, электронной и оптической промышленности, а также в других отраслях народного хозяйства, где требуется измерение оптических постоянных поглощ ющих сред. Известен способ измерения показателей преломления и поглощения путем анализа изменения состояния поляризации светового пучка при внешнем отражении. Известный способ предусматривает измерение азимута преимущественной поляризации Ц1 и разности Фаз & между Р и S компонентами отраженно поляризованного света при определенном фиксированном угле падения cL , причем.свет направлен со сторо ны плотной непоглощаклцей среды с показателем преломления п на поверхность более плотной среды с показателями преломления п и поглощения k, а затем по измеренным значениям и Л, oL с, помощью уравнения эллипсометрии находят показатели преломления п и k исследуемой среды ГГТ. Однако известный способ, кроме сложной аппаратуры, требует выполнения сложных вычислений, не обеспечивает высокой точности и малопригоден для исследований жидкостей или газов. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ измерения показателей преломления и поглощения сред, основанный на контроле относительных измерений характеристик поляризации света при внутреннем отражении, заключаю цийся в том, что одновременно гармонически модулируют в противофазе азимут преимущественной поляризации и разнБсть фаз междуР и S компонентами света, регистрируют отраженный свет фотоприемником, изменяют угол падения света до значения, фи котором в спектре сигнала фотоприемника отсутствует первая гармоника частоты модуляции,и, считая найденный угол падения критическим, вычисляют показатель преломления 23Недостатком известного способа является невозможность определения с его помо1Дью показателей поглощения сред при больших величинах погло щения. Целью изобретения является повышение точности одновременного измерени показателей преломления и поглощения Указанная цель достигается тем, что согласно способу измерения показателей преломления и поглощения сред,, основанному на контроле относительных изменений характеристик поляризации света при внутреннем отражении, заключающемуся в том, что одновременно гармонически модули ру1от в противофазе азимут преимущест венной поляризации и разность фаз между Р и S компонентами света,регистрируют отраженный свет фотоприемников, изменяют угол падения света до значения, при котором в спектре сигнала фотоприемника отсутствует первая гармоника частоты модуляции, и, считая найденный угол критическим, вычисляют показатель преломления, свет при найденном угле падения модулируют только по азимуту пре имущественной поляризации или только по разности фаз между Р и S компо нентами,определяют абсолютное значени азимута преимущественной поляризации или разности фаз между Р и S компонентами с помощью компенсатора и по найденным значениям показателя преломления и азимута преимущественной поляри зации или показателя преломления и разности фаз между Р и S компонентами вычисляют коэффициент поглощения.. На фиг. 1 показаны реально измеря емые зависимости коэффициента отраже ния R азимута преимущественной поляризации Ц и разности фаз между Р и S компонентами Д от угла падения для случаев ничтожно малого кривые ;1-3) и значительного (кривые -б) поглощения исследуемой среды; на .фиг. 2 - структурная схема одного из вариантов устройства, с.помощью которого можно осуществить способ; на фиг. 3 - семейство кривых, связывающих величину поглощения k и абсолютные значения поляризационных характеристик 2 иД. Реализация способа может быть осуществлена следующим образом. Световой поток от источника света 7 (фиг. 2) в виде параллельного монохроматического пучка, сформированного коллиматором 8 и фильтром Э, проходит поляризатор 10, магнито-оптический модулятор 11. четвертьволновую пластинку 12, отрицательную линзу 1 3 и под углом б(. направляется на плоскость соприкосновения стеклянной полусферы с исследуемой средой 15. Отраженный световой поток проходит второй магнитооптический модулятор 16, магнитооптический компенсатор 17, анализатор 18 и воспринимается фотоприемником 19- Поляризатор 10 и анализатор 18 укреплены неподвижно так, что их азимуты пропускания постоянно составляют углы соответственно +k5 и с плоскостью падения и отражения света, а четвертьволновая пластинка также укреплена неподвижно и её быстрая ось постоянно совпадает с плоскостью пропускания поляризатора 10. Магнитооптические модуляторы 11 и 16 идентичны и питаются с одного источника переменного тока частоты Ш (например Тц), но в противофазе. Магнитооптический компенсатор 17 с помощью выключателя 20.может подлючаться к регулируемому генератору постоянного тока 21, который контролируется резистором 22 и цифровым вольтметром 23. Фотоприемник 19 включен в цепь следящей системы с избирательным усилителем 2Ц, настроенным а частоту Ш, и с реверсивным двигателем 25. При отключенной магнитооптичесом компенсаторе 17 и включенных агнитооптических модуляторах 12 и 16, отоприемник 19 воспринимает свет, зменяющийся по закону .-С051ЧСОбЛ-«-Ь 51и2Ч-SJH А сое 24 ) SIM tui ,(Н) где интенсивность падающего на поляризатор 10 света; Rj коэффициент отражения света при угле паденияс . 10 Из выражения (1) и кривых на фиг. 1 видна связь между фазой переменной составляющей сигнала частоты UV фотоприемника 19 и направлением изменения угла падения света об относительно точки пересечения или точ ки встречи кривых зависимости 2 ф и Д ото Скривые 2 и 3 или 5 и 6 на фиг. 1), соответствующей углу падения oi , и который при k О равен . о кр-Так, если ci(3i, и в спектре сигнала фотоприемника 19 будет присутствовать первая гармоника частоты It) , фаза которой равна нулю. Еслио(., то 2 Ф и в спектре сигнала фртоприемника будет также присутствовать первая гармоника частоты иУ, но фаза ее. будет отличаться на 180 В первом .случае двигатель 25 будет вращаться в одну сторону {соот ветствующую увеличениюо), а во втором случае - в противоположную сторону (соответствующую уменьшению oL). В основу предложенного способа по ложен факт взаимной компенсации эффектов изменения поляризационных характеристик Ц) и Д , вызванных увели чением поглощения k исследуемой среды в районе критического угла падения. Исследования показали, что при любых значениях поглощения исследуемых жидкостей точка пересечения кри вых зависимостей 2Ф и ILOT od (фиг. 1 соответствует такому углу паденияQ , при котором был бы отмечен критический угол если бы эта же среда не имела поглощения. Соответственно при любом значении показателя поглощения исследуемой среды сначала производят изменение угла падения света в направлении соответствующем фазе переменной соста ляющей частоты (ю сигнала фотоприемника 19 с помощью следящей системы до момента исчезновения этой переменной составляющей в спектре фотоприемника найденный угол падения oi считают критическим и вычисляют показатель Преломления , При (фиг. 1) абсолютные зна чения Ч У дпараметров ifJ Д удовлетворяют условию О, Д О, и величины Ч и Д строго зависят от величины поглощения исследуемой срелы (фиг. 3).J Затем при угле падения света oL на короткое время отключают двигатель 25 9« отключают и магнитооптический модулятор 11, с помощью выключателя 20 подключают магнитооптический компенсатор к регулируемому генератору постоянного тока 21, изменяют величину тока через магнитооптический компенсатор 17 до момента повторного исчезновения первой гармоники частоты W в спектре сигнала фотоприемника 19, который воспринимает свет, интенсивность которого изменяется по закону -,М р соБ1ЧС05й4Ь51и2(Ч-Ч к) .MU)t,(2) где Ц., - величина изменения азимута преимущественной поляризации компенсатором 17. По показаниям цифрового вольтметра 23 определяют величину -тока, который прямо пропориионален измеренной величине с помощью семейства кривых (фиг, З) по кривой, связывающей величину поглощения и поляризационную характеристику () для измеренного ранее показателя преломления п определяют показатель поглощения k среды. Аналогично ф можно осуществлять определение вели чины А. На этом цикл измерений п и k заканчивается. Отключение двигателя 25 и одного из модуляторов производят только на короткое время измерения тока через магнитооптический компенсатор 17, соответствующий моменту компенсации . С помощью запоминающего устройства цифрового вольтметра 23 информация о токе компенсации может сох раняться по желанию оператора сколь угодно долго. Все остальное время следящая система устройства замкнута, магнитооптический компенсатор. 17 отключен и постоянно производится отслеживание за возможными изменениями показателя преломления п среды.. Такая последовательность действий оправдана тем, что на практике не бывает изменений k с большей скоростью, чем изменения п . Таким образом, предложенный способ по сравнению с известным позволяет повысить точность .одновременного измерения показателей преломления и погло.цения. Формула изобретения Способ измерения показателей преломления и поглощения сред, основанный на контроле относительных изменений характеристик поляриэаци 1 сйета при внутреннем отражении, заключающийся в том, что одновременно гармонически модулируют в противофазе азимут преимущественной поляризации и разность фаз между Р и S компонентами света., регистрируют отраженный свет фотоприемником, изменяют угол падения света до значёния, при котором в спектре сигнала фотоприемника отсутствует первая гармоника частоты модуляции и, считая найденный угол падения критическим, вычисляют показатель преломления, отличающийся тем, что, с целью повышения точное ти одновременного измерения показателей преломления и поглощения, свет при найденном угле падения модулируют только по азимуту преимущественной полязирации или только по разности фаз между Р и S компонен-тами, определяют абсолютное значение азимута преимущественной поляризации или разности фаз. между Р и S компонентами с помощью компенсатора и по найденным значениям показателя преломления и азимута преимущественной поляризации или показателя преломления и разности фаз между Р и S компонентами вычисляют коэффициент поглощения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

2.Авторское свидетельство СССР f , кл. G 01 N , 1979 (прототип).