Устройство для исследования поляризационных свойств анизотропных материалов Советский патент 1983 года по МПК G01J4/04 

Изобретение относится к измерител ной технике, а именно к конструкциям устройств для исследования свойств материалов с применением поляризованного света, и может быть использовано при исследовании прозрачных, материалов (стекол, кристаллов и т.д.) с естественной и наведенной анизотропией, а также фазочувствительных материалов, например полупро водниковых кристаллов и пленок с изотропной и анизотропной структурами. Известно устройство для исследова ния поляризационных свойств анизотропных материалов при оптическом Гашении фотопроводимости, состоящее из источника белого света, фокусирую щей линзы, монохроматора, поляризатора и изучаемого полупроводникового кристалла, установленных по ходу луча света, а также лампы накаливания с интерференционным фильтром для подставки образца и блока обработки информации . Недостатки данного устройртва заключаются в низком быстродействии поскольку для изменения положения плоскости поляризации необходим поворот поляризатора, который производится вручную, а также в низких чувствительности к поляризационному изменению фотопроводимости и спектральной точности, так как не используется дифференциальная методика исследования поляризационных свойств Наиболее,.близким к предлагаемому является устройство для исследовани поляризационных свойств анизотропных Материалов, содержащее источник излучения, оптический блок, включаю .адий модулятор мощности.излучения, измерительную камеру и фотоприемник соединенный с блоком обработки информации, включающим последовательн соединенные селективный усилитель и синхронный детектор с фазосдвигаю щим устройством Н . К недостаткам известного устрой|Ства относятся малый диапазон изме ряемых параметров сложность процесс измерения, . Цель изобретения - расширение диапазона измеряемых параметров и упрощение процесса измерения. Поставленная цель достигается тем что в устройстве для исследов.ания поляризационных свойств анизотропных материалов, содержащем источник изл чения, оптический блок, включающий модулятор мощности излучения, измерительную камеру и фотоприемник, соединенный с блоком обработки инфо мации, включающим последовательно соединенные селективный усилитель и .синхронный детекто р с фазосдвигающи устройством, источник излучения выполнен с возможностью регулирования спектрального состава-излучения, в оптический блок введены первый светоелительный элемент, установленный по ходу луча под углом 211 о; 271 + к его оси, плоские зерка/ia, установленные по ходу отраженного и прошедшего лучей параллельно светоделительному элементу, .второй .светоделительный элемент, установленный в точке пересечения отраженных зеркалами лучей параллельно.первому светоделительному элементу, два поляризатора, каждый из которых расположен между зеркалом и вторым светоделительным элемен том по ходу каждого из лучей,, причем оси пропускания поляризаторов установлены с различными азимутами, а модулятор мощности излучения установлен с возможностью поочередного перекрытия каждого из лучей,разделенных первым светоделительным элементом, измерительная камера выполнена о возможностью регулирования температуры и снабжена электродами для образцов , в устройство введен поляризационно-чувствите.пьный анализирующий блок, установленный по ходу одного из разделенных вторьам светоделительным элементом лучей,причем азимут оси наибольшей чувствительности этого блока согласован с азимутами осей пропускания поляризаторов,а в блок обработки информации введены селективный усилитель, вход которого соединен с выходом поляризационнр-чувствительного анализирующего блока, а выход соединен с опорным входом синхронного детектора, и фильтр низких частот, под:,ключенный к выходу синхронного детектора. Светоделительные элементы и зеркала установлены по ходу луча под угя лом 2ti к его оси,а поляризационно-чувствительный анализирующий блок выполнен в виде поляризационочу;вствительного фотодетектора. Электроды для образцов измерительной камеры соединены с входом селективного усилителя, соединенного с фотоприемником. На чертеже изображена схема предлагаемого устройства. Устройство содержит источник 1 излучения, оптический блок 2, поляриэационно-чувствительный анализирующий блок 3, измерительную камеру 4 и блок 5 обработки информации. Оптический блок 2 включае светоделите.пьные элементы 6 и 7, зеркала 8 и 9, модулятор 10 мощности излучения, поляризаторы 11 и 12. Блок 3 Может быть выполнен в виде поляризационно-чувйтвителького фотодетек тора. Измерительная камера 4 может быть выполнена в .виде держателя образца 13 с электродами, закрепленного в юстировочнсм устройстве 14 и помещенного в экранированный термостат 15. После измерительной камеры по ходу луча расположен фотоприемник 16. Блок обработки информации включает селективные усилители 17 и 18, синхронный детектор 19 и фильтр 20 низких.частот. Устройство работает следующим образом. Излучение источника 1 попадает в оптический блок 2 и делится светоде лительным элементом 6, Модулятор 10 мощности излучения, вращаемый дв гателем, прерывает излучение в кажд плече оптического блока поочередно, поэтому модуляция осуществляется в противофазе. Поляризаторы 11 и 12 задают различные состояния поляриза ции лучей, например взаимно ортогональные. Зеркала 8 и 9 и светоделительный элемент 7 направляют лучи п основному и опорному каналам. Таким образом, на исследуемый образец ани зотропного материала поступают свет вые импульсы, последовательно поляризованные в различных плоскостях, например во взаимно ортогональных, сдвинутых во времени по фазе на 180°. Суммарный поток излучения, прошедший исследуемый образец, имее переменную составляющую, амлитуда которой пропорциональна разности коэффициентов пропускания анизотроп ного материала для света с различны состояниями поляризации. Фаза пере.менной составляющей потока излуче- НИН определяется знаком разности ко эффициентов пропускания, который может меняться с длиной волны излучения . Сигнал преобразуется фотопри емником 16 либо исследуемым образом в измерительной камере из оптическо в электрический, селективный усилитель 17 вьщеляет переменную составляющую. Далее сигнал поступает на синхронный детектор 19 и умножается н независимую от него периодического величину, называемую вектором коммутации, который образуется путем п дачи на синхронный детектор опорного сигнала. Опорный сигнал формируется с помощью поляризационно-чувст вйтельного анализирующего блока 3 и селективного усилителя 18. Так как поляризационно-чувствительный блок имеет большую чувствительность к излучениям с одним из состояний поляризации, например с азимутом о, то фаза опорного сигнала не изменяется. Селективный .усилитель 18 выделяет и усиливает переменную составляющую опорного сигнала, которая поступает на опорный вход синхронно го детектора 19. На выходе синхронного детектора появляется постоянный сигнал,величина которого пропорциональна измеряемой величине, а знак определяется знаком измеряемой величины. Фильтр 20 низких частот уме шает влияние высокой частотной поме хи, которая может появиться на выхо. синхронного детектора. При перекрытии одного из лучей между светоделительными элементами 6 и 7 на исследуемый образец поступи ет излучение только с одним состоянием поляризации, например с азимутом О или 90 . При этом на выходе устройства появляется величина, равная коэффициенту пропускания анизотропного материала или чувствительности фотоприемника на основе этого материала для света с соответствующим состоянием поляризации. Регулируя длину волны возбуждающего излучения источника 1 и температуру термостата 15, можно измерить спектральное распределение и температурную зависимость указанных величин. В качестве примера приведено уст- ройство, изготовленное на основе монохроматора SPM-2 с лампой белого света ПЖ-24, которые используются в качестве источника с регулируемым спектральные составом. Светоделительные элементы и зеркала выполнены в виде плоскопараллельных пластинок из оптического стекла на отражающую поверхность ,зеркал нанесен слой алюминия. В качестве поляризаторов, оси пропускания которых установлены с aзrav1yтaми О и 90, использованы поляроиды ПФ-42. Поляризационно-чувствительный детектор изготовлен на основе диодной структуры из одноосного фоточувствительного полупроводника, а азимут оси наибольшей чувствительности поляризационно-чувствительного анализирукяцего блока установлен параллельно азимуту оси пропускания второго поляризатора. Модулятором мощности излучения служит механический прерыватель в виде диска с прорезями, который вращается гистерезисным двигателем Г-31А. Измерительная камера содержит держатель образца, закрепленный в юстировочном устройстве, которое выполнено на основе червячно-дисковой передачи и помещено в акранированный сосуд Дьюара с оптическим изотропными окнами. В блоке обработки информации в качестве селективных усилителей используются i микровольтметры селективные Вб-4, а в качестве синхронного детектора преобразователь напряжения В9-2. По сравнению .с прототипом, позволякхдим работать только при фиксирован ной длине волны и постоянной температуре, предлагаемое устройство обладает более широкими функциональными возможностями; а именно позволяет непосредственно измерять коэффициенты пропускания,поглощения,сигналы фототока, фотонапряжения и т.п.

для света с различными состояниями поляризации, их спектральное распределение, температурную зависимост и дифференциально-поляризационные спектры. Кроме того, оно позволяет автоматически получать на выходе исследуемые величины, что упрощает процедуры измерений по сравнению с прототипом. В предлагаемом устройстве также использованы унифицированные и дешевые элементы: поляризатора зеркала, светоделители, тогда как в прототипе используются элементы более дорогие и дефицитные: электрооптический модулятор, четвертьволновая пластинка, источники питания электрооптического модулятора и т.д., что обеспечивает более низкую себестоимость предлагаемого устройства .

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛЯРИЗАИИОННЬЧС СВОЙСТВ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ, содержащее источник излучения, оптический блок, включающий модулятор мощности излучения, измерительную камеру и фотоприемник, соединенный с блоком обработки информации, включающим последовательно соединенные селективный усилитель и синхронный детектор с фазосдвигающим устройством, отличающееся, тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых параметров и упрощения процесса, измерения, в нем источник излучения выполнен с возможностью регулированияия спектрального состава излучения, в оптический блок введены первый светоделитель ный элемент, установлен1 ый по ходу луча под углом 2fi «.)4 к его оси, плоские зеркала, установленные по ходу отраженного и пpoшедшего лучей параллельно светоделитель ному элементу, второй светоделительный элемент, установленный в TO4Jf ке пересечения отраженных зеркалами лучей параллельно первому светоделительному элементу, два поляризатора, каждый из которых расположен между зеркалом и вторым светоделительным элементом по ходу каждого из лучей, причем оси пропускания поляризаторов установленыс различными азимутами, а модулятор мощности излучения установлен с возможностью поочередного перекрытия каждого из лучей, разде- ленных первым светоделительным элементом, измерительная камера выполнена с возможностью регулирования температуры и снабжена электродами для образцов, в устройство введен поляризационно-чувствительный анализирующий блок, установленный по (Л ходу одного из разделенных вторьпч светоделительным элементом лучей, причем азимут оси наибольшей чувствительности этого блока сог.пасован с азимутами осей пропускания поляризаЬгоров, а в блок обработки информации Ёведены селективный усилитель, вход которого соединен с выходом поляриза- ; ционно-чувствительного анализирующе4 го блока,а выход соединен с опорным СЛ входом синхронного детектора, и фильтр низких частот, подключенный к выходу синхронного детектора-. 2.Устройство ПОП.1, oтличaю щ .е е с я тем, что светоделительные элементы и зеркала установлены по ходу луча под углом 21