Устройство для измерения поляризационных характеристик анизотропных сред Советский патент 1983 года по МПК G01J4/04 

Изобретение относится к оптике и измерительной технике и предназначено для исследования анизотропных сред. Известны устройства для измерения эллиптичности (линейного двупреломле ния) Cll поворота плосиости полйризаиии (циркуляционного двупреломления) 23, линейного дихроизма и циркулярногб и С . Для получения высокой чувствитель ности и точности, как правило, устройства работают в модуляционном режиме, причем в качестве модуляторов используют механические, злектро бптические, магнитооптические и другие модуляторы. Недостатком известных устройств является то, что они не применимы для одновременного точного измерения всех поляризационных параметров. В частности, при одновременном возде ствии линейного двупреломления и цир куляционного дихроизма ухудшаемся точность измерений с помощью известных эллипсометров, поскольку оба эти явления проявляются появлением или изменением эллиптичности. Аналогично, при Одновременном действии цирку ляционного двупреломления и линейного дихроизма ухудшается точность изК43рений известных поляриметров 2 , поскольку оба эти явления проявляются плоскости поляризации. Наиболее близким техническим реше нием является устройство для измерения поляризационных характеристик ан зотропных сред, содержащее оптически связанные источник монохроматического излучения, коллиматор, светоделитейьное зеркало, поляризатор, модулятор , камеру для исследуемого образ да, нормально отражакя ее зеркало, компенсатор/, анализатор, фотоприемник, соединенньт с регистрирувошим устройством t5. Устройство предназначено для измерения сверхмалых поворотов плоскос ти поляризации, однако оно не позволяет проводить измерения линейного двупреломления, линейного и циркуляционного дихроизмов, что ограничивает область его применения. Для исклю чения влияния нестабильности рабочей точки модулятора, а также для исключения влияния внешних магнитных молей использована система автоматической подстройки магнитооптического модулятора, что усложняет конструкцию устройства. Целью изобретения является измерение всех поляризационных параметров анизотропных сред и упрощение устройства. Для достижения цели в устройстве для измерения поляризационных характеристик анизотропных сред, содержатем оптически связанные источник монохроматического излучения, коллиматор , светоделительное зеркало, поляризатор, модулятор, держатель для исследуемого образца, нормально отражающее зеркало, .компенсатор, анализатор, фотоприемник, соединенный с регистрирующим устройством, поляризатор и модулятор последовательно расположены после коллиматора по ходу луча, между держателем для исследуемого образца и нормально отражающим зеркалом по ходу приходящего через светоделительное зеркало луча последовательно расположены первая и вторая четвертьволновые пластинки, причем вторая снабжена механизмом для равномерного вращения вокруг оси луча, а компенсатор, анализатор и фотоприемнкк расположены после светоделительного зеркала по ходу отраженного от него луча со стороны нормально отражающего зеркала, между компенсатором и анализатором расположена третья четвертьволновая пластинка, снабженная -механизмом параллельного смещения, после анализатора установлен прерыватель луча, при этом модулятор выполнен электрооптическим, компенсатор - фазовым, держатель для исследуемого образца в виде столика для исследуемого образца с поворотными механизмами, главные оси первой и третьей четвертьволновых пластинок составляют угол 45 , поляризационная ось поляризатора перпендикулярна главной оси первой читвертъволновой пластинки, главная ось электрооптического модулятора параллельна главной оси. третьей четвертьволновой пластинки. Главная ось компенсатора параллельна главной оси первой четвертьволновой пластинки, причем анализатор выполнен с возможност#)Ю вращения вокруг оси луча и снабжен устройством отсчета азимутов угла поворота, а между фотоприемником и регистрирувлцим устройством введены два узкополосных усилителя. На фиг. 1 изображена схема устройства; на фиг. 2 - принцип действия устройства с помощью сферы Пуанкаре (СП) для линейного двупреломления и линейного дихроизма/ на фиг. 3 то же, для циркулярного двупреломления и циркулярного дихроизма. Устройство содержит источник 1 монохроматического излучения,.,коллиматор 2, поляризатор 3, электрооптический модулятор 4, светоделительное зеркало 5, столик для.исследуемого объекта с поворотными механизмами 6, четвертьволновую пластинку 7 с азимутом оптической оси О, вторую четвертьволновую пластинку 8 с механизмом для равномерного вращения вокруг

оси, параллельной лучу, нормально отражающее зеркало 9, кварцевый компенсатор 10 для компенсации искажений состояния поляризации луча на светоделктельном зеркале 5, четвертьволновую пластинку 11 с зэимутом оптической оси 45 и с механизмом для параллельного смещения в плоскости,. перпендикулярной лучу, анализатор 12 который в начальном положении имеет азимут плоскости поляризации 45 , пр рыватель 13 луча, фотбприемник 14, узкополосные усилители 15 и 16, настроенные соответственно на нечетную и четную гармоники, и регистрирукядее устройство 17.

Принцип действия устройства удобно показать с помощью сферы Пуанкаре Благодаря поляризатору 3 и злектрооптическому модулятору 4 на исследуемый объект падает луч с модулированным состоянием поляризаш и, которое изображается дугой М с центром в точке V, лежащей в плоскости VLH. В момент, когда оптическая ось четвертьволновой пластинки 8 имеет азимут 0° или 90° при прохождении луча сквозь исследуемый объект туда и обратно, циркулярное двупреломпение и циркулярный дихроизм вычитаются, линейное двупрел тение и линейный дихроизм складываются. При отражении обратного луча от светоделительного зеркала 5 между составляющими луча с азимутом плоскости поляризации 0° и 90 образуется разность фаз А, изображается на СП повороте дуги М на угол л вокруг оси HV (на фиг. 2 не показано) Для компенсации фазового смещения д использован кварцевый компенсатор 10, который между составляющими луча с азимутом О jt 90 создает разность фаз (г А), поэтому дуга М благодаря компенсатору 10 остается в плоскости VLR.

Если исследуемый объект, имеющий азимут оптической оси О или , обладает линейным двупреломлением, то дуга М поворачивается вокруг оси HV на угол cf4 , который равен фазовоиу смещению между ортогональными составляюишми луча (дуга М, фиг,2). Поворот дуги М вокруг оси HV проявляется появлением нечетной гармоники на выходе фотоприемника, амплитуда пропорциональна величине S i п dRi . Рля ее компенсации необходиМО анализатор 12, устанавливаемый 1после четвертьволновой пластинки 11f повернуть на угол - (точка А. , фиг. 2).

Если исследуекый объект обладает линейным дихроизмом, то дуга окружности М преобразуется в дугу эллипса Mj. При этом на выходе фотоприемника имеет место сетная гармоника, амплитуда которой пропорциональна

линейному дихроизмуд tv - otv Для ее компенсации необходимо (при отсутствии четвертьволновой пластинки 11) повергутъ анализатор на угол

Ч (точка A,j, фиг. 2), где f г-ц - Ту

а res i п

Сн 4- tv

причем TH и TV - -коэффициенты пропускания для ортогональных линейно поляризованных лучей.

.Если исследуекый объект облгщает циркулярным двупреломлением, то дуга М поворачивается вокруг оси iR на угол сГ f 2V, где разность фаз между ортогонгшьными циркулярно поляризованными лучами, а ф - поворот плоскости поляризации луча, прошедшего туда и обратно через исследуемый объект. При этом на выходе фотоприемника имеет место четная гармоника, амплитуда которой пропорциональна величине sin 2if. Для ее компенсации необходимо (при отсутствии четвертьволновой пластинки 11) повернуть анализатор на угол f (точка А, фиг. 3).

Если исследуемлй объект облащает циркулярным дихроизмом, дуга окружности М преобразуется в дугу эллипса Мл. При этом на выходе фотоприемниха имеет место нечетная гармоника амплитуда которой пропорциональна циркулярному дихроизмуДо{ oi., -olp. Для ее компенсации необходимо (при отсутствии четвертьволновой пластинки 11) повернуть анализатор на угол Ч (точка Д, фиг. 3), где ф

4 а res i п -.8С-Ь,, причем f

2 ,

коэффициенты пропускания для ортогональных циркулярно поляризованных лучей.

Прерыватель 13 луча открывает вход фотоприемника 14 только в тот момент, когда азимут оптической оси четвертьволновой пластинки 8 равен п -45, где п О, 1, 2,... . Таким образом, если азимут плоскости поляризации анализатора 12 равен 45 , то при п а О, 2, 4, ... устройство измеряет по первой гармонике линейное двупреломление , по второй линейный дихроизм, при п 1, 3, 5, ... устройство измеряет по первой гармонике циркулярный дихроизм, по второй - циркулярное двупреломление

Отличительной особенностью предлагаемого изобретения является исключение влияния нестабильности рабочей точки модулятора при работе в компенсационном режиме. 3fo достинуто не за счет системы автоматической подстройки, усложняющей конст

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АНИЗОТРОПНЫХ СРЕД , содержаи1ее оптически связанные источник монохрйматического и злу.чения, коллиматор, светоделительное зеркало, поляризатор, модулятор держатель для исследуемого образца, нормально отражаютее зеркало, компенсатор, анализатор, фотоприемник, соединенный с регистрирукяаим устройством, о т л и ч а ю щ е- с .я тем, что, с целью измерения всех поляризационных параметров анизотропных сред и упрощения устройства, поляризатор и модулятор последовательно расположены после коллиматора по ходу луча, между держателем для исследуемого обра;эца и нормально отражающим зеркалом по ходу проходящего через светоделительное зеркало луча последовательно расположены первая и вторая четвертьволновые пластинки, причем вторая снабжена механизмом для равномерного вращения вокруг оси луча, а Компенсатор, анализатор и фотоприемник расположены после светоделительного зеркала по ходу отраженного от него луча со стороны нормально отражакячего зеркала, между компенсатором и анализаторе расположена третья четвертьволновая пластинка, снабженная механизмом параллельного смещения, после анализатора установлен прерыватель луча, при этом модулятор выполнен электрооптическим, компенсатор - Фазовым, держатель для исследуемого образца - в виде столика для исследуемого образца с поворотными механизмами, главные оси первой и третьей четвертьволновых пластинок составляют угол 45° , поляризационная ось поляризатора перпендикуN лярна главной оси первой четвертьволновой пластинки, главная ось элект рооптического модулятора параллельсо ел на главной оси третьей четвертьволновой пластинки, главная ось компенсо сатора параллельна главной оси первой четвертьволновой пластинки, причем анализатор выполнен с возможностью вращения вокруг оси луча и снабжен устройством отсчета азимутов угла поворота, а между фотоприемни.ком и регистрирующим устройством введены два узкополосных усилителя.