Способ измерения коэффициента отражения зеркал Советский патент 1985 года по МПК G01N21/55 

Изобретение относится к технике измерений на субмиллиметровых волнах и предназначено для измерений коэф фициентов отражения высокоотражающих зеркал. . Известен способ измерения коэффи циента отражения зеркала. Способ заключается в измерении потока излучения, прошедшего через многоходовую кювету (типа кюветы Уайта) без исследуемого зеркала и через ту же кювету (с измененным ходом лучей) с зеркалом, на котором поток излучения испытывает многокра ные отражения Ul 1« Недостатком этого способа является то, что исследуемые зеркала даже на коротких субмиллшметровых волнах ( 40 мкм) должны, иметь большие размеры. Кроме того, он дает возможность определять лишь усредненный по различным углам паде ния коэффициент отражения зеркала. Наиболее близким к предложенному по техни:ческой сущности является способ измерения коэффициента отражения зеркал, заключающийся в том, что мoдyJШpyют по амплитуде поток электромагнитного излучения путем введения в него с заданной частотой отражательного элемента С2 J, При этом поток электромагнитного излучения субмиллиметрового диапазо на модулируют по амплитуде за счет поочерёдного введения в него с заданной частотой исследуемого и эталонного образцов и принимают два амплитуДно-модулированных потока излучения: прошедший через образцы и отраженный от них. Из принятого амплитудно-модулированного потока излучения, прошедшего через образцы выделяют переменную составляющую ин тенсивности, пропорциональную разности коэффициентов пропускания эта лонного и исследуемого образцов. Из принятого амплитудно-модулированног потока излучения, отраженного от об разцов, выделяют переменную составлякицую. интенсивности, пропорциональ ную разности коэффициентов отражени эталонного и исследуемого об1 азцов. Недостатком способа является неудовлетворительная точность измереНИИ высоких, близких к единице,значений коэффициентов отражения зеркал. Это обусловлено тем. Что отсут ствуют высокоотражающие эталоны с 9.72 точно измеренным в субмиллиметров.ом диапазоне коэффиентом отражения, Целью изобретения является повьпаение точности, измерения коэффициентов отражения, близких к единице, в субмиллиметровом диапазоне, Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения коэффициента отражения эеркал, заключающемся в том, что модулируют по амплитуде поток электромагнитного излучения путем введения в него с заданной частотой отражательного элемента, регистрируют отраженное излучение, поток электромагнитного излучения модулируют по амплитуде поочередным введением в него первого диэлектрического образца толщиной d, находящегося в оптическом контакте с зеркалом и зеркала без диэлектр1тческого образца, регистрируют отраженное излучение от обоих отражательных элементов , вьщеляя переменную составляющую сигнала 3 , затем поток электромагнитного излучения модулируют по амплитуде поочередным введением в не го второго диэлектрического образца толщиной dj, находящегося в оптическом контакте с зеркалом, и зеркала без диэлектрического образца, регистрируют отраженное излучение от обоих отражательных элементов, вьщеляя переменную составляющую сигнала J , после чего поток электромагнитного излучения модулируют введением в него с той же частотой только зеркала, регистрируют отраженное от него излучение, вьаделяя переменную, составляющую сигнала 3,,, а коэффиR зеркала определяют, циент отражения из соотношения Л Ф ( i :о(н)(Ф,,,-Ф.,51пЧ : 2Tin4 iJrncJ . , Ф,, п - показатель преломления диэлектрических образцов; Л - длина волны, при этом ,1, .,1, где К коэффициенты поглощения диэлектрических образцов. На фиг, 1 приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 - крайние положе1(шя зеркала с .образцами относительно потока излучения при модуляции; на фиг. 3 - крайние положе ния зеркала относительно потока изл чения. Устройство содержит субмиллимет вый генератор 1, делитель потока и лучения 2; диафрагму 3, модулятор и приемник 5. Модулятор 4 содержит диэлектрич кий образец 6, плоское зеркало 7, ретку 8, 1ср1шошипно-шату11ный механизм 9, электродвигатель 10 с реду ром и датчик 11 опорного напряжени Приемник 5 содержит квадратичный детектор 12, усилитель 13, син хронный детектор 14 и индикатор 15 Генера1тор 1 предназначен для фо мирования 6jm3Koro к параллельному потока электромагнитного излучения субмиляиметрового диапазона. В кач стве генератора 1 могут быть испол зованы либо субмиллиметровый ОКГ, либо лампа обратной волны (ЛОВ). Диэлектрические образцы 6 представляют собой пару плоскопараллел ных пластин толщиной « и о-, , вьшол неиных из одного и того же материала. Каждый диэлектрический образец характеризуется соотношением г Kd,- 1 - R 0,1, где К - коэффициент поглощения образца; d - Толщина образца; R - коэффициент отражения исследуемого зеркала. Диэлектрические дбразцы 6 поочередно закрепляются на поверхности плоского зеркала 7 так, что они находятся в рптическом контакте с ним, т.е. зазор h между образцом и зеркалом и рабочая длина волны Л электромагнитного излучения находятся в соотношении h « Л . Электродвигатель 10с помощью кривошипно-шатунного механизма 9, соединенного с осью 16 каретки 8, обеспечивает возвратно-поступательное движение с частотой F плоского зеркала 7 с диэлектрическим образцом 6, как показано на фиг.2. Электродвигатель 10 с помощью кривошипно-шатунного механизма 9, соединенного с осью 17 каретки 8, обеспечивает возвратно-поступательное движение с частотой F плоского 97 .4 . зеркала 7 с исследуемым образцом 6, как показано иа фиг. 3. Способ, реализованный с помо1цью данного устройства, осуществляется следующим образом. Формируют поток излучения с помощью генератора 1. С помощью делилея 2 осуще ствляют отделение части потока излучения, которую используют для контроля стабильности мощности или Для измерения длины волны, , Поток излучения от генератора 1, прошедший через делитель 2, модулируют по амплитуде поочередным введением в него диэлектрического образца 6 толщиной d, находящегося в оптическом контакте с зеркалом.7, и , зеркала 7 без образца 6. Для этого с помощью диафрагмы 3 ограничивают поперечные размеры потока излучения, прошедшего через делитель 2. Плоское зеркало 7 модулятора 4 с закрепленным на части его отражающей поверхности диэлектрическим образцом 6 толщиной d с помощью каретки 8 и кривошипно-шатунного механизма 9 соверщает возвратно-поступательное движение с частотой F, задаваемой электродвигателем Ю. Крайние положения плоского зердсала 7 с диэлектрическим образцом 6 толщиной d относительно потока излучения приведены на фиг.2. При этом в первую половину периода модуляции поток излучения после прохождения диафрагмы 3 пропускают через образец 6 толщиной с/ и отражают зеркалом 7. Отраженный поток излучения вновь пропускают через образец 6. Ослабленный вследствие отражения от зеркала 7 и двойного прохождения через образец 6 толщиной JT поток излучения через диафрагму 3 поступает на делитель потока 2, С помощью делителя 2 осуществляют отделение части потока излучения к приемнику 5.. Во вторую половину периода модуляции поток излучения после прохождения диафрагмы 3 отражают с помощью зеркала 7 без образца 6 и передают через диафрагму 3 на делитель потока 2. С помощью делителя 2 осуществляют отделение части потока излучения в приемник 5. Регистрацию амшштудно-модулированного излучения осуществляют с помощью приемника 5. Выделяют переменную составляющую сигнала интенсивности принятого излученияФ Для этого с помощью квадратичного детектора 12 прие.мника 5 осуществляют детектяро зание амплитудно-модулированного излучения. С помощью усилителя 13 усиливают сигна с выхода детектора12, С помощью синхронного детектора 14 осуществляют вьщрление переменной составляющей 3 интенсивности из вькодного напряже.ния усилителя 13. Опорное напряжение с частотой F для синхронного детектора 14 формируют с помощь датчика 11 модулятора 4. Регистрацию сигнала 3 осуществляют с помощью индикатора 15, Коэффициент отражения системы: образец 6 - зеркало 7, а следовательно, сигнал Э-, периодичес, кй меняются с увеличением отношения , из-за интерференции излученш,- многократно отраженного от пере .ней поверхности диэлектрического образца 6 и зеркала 7, При произволь связь ном значении отношения между измеренной величиной Д, коэффициентом отражения R зеркала и диэлектрическими потерями tij(f образца ТО.ПЩИНОЙ сЗ выражается соотношением () Ф , где f 1 С - consi-; W - моЕ(ность изл5чения генератора 1, Потрк изл чения генератора 1, про шедший через делитель 2, модулируют по амплитуде поочередным введением в него образца 6 толщиной dj ,находящегося D оптическом контакте с зеркалом 7 и зеркала 7 без образца 6, При этом модуляциюосуществляют так же, как показано выше, в случае модуляции потока излзчения поочередным введением в него диэлектрического образца 6 с толщиной d , находящегося в оптическом контакте с зер калом 7 и зеркала 7 без образца 6. Прием амплитудно-модулированного излучения осуществляют с помощью приемника 5, Вьщеляют переменную составляющую сигнала - интенсивности принятого излу 1ения. Для этого с помощью квад) 1 976 ратичного детектора 12 приемника 5 осуществляют детектирование амплитуднотмодулированного излучения. С помощью усилителя 13 уси.гшвают сигнал с выхода детектора 124 С помощью синхронного детектора 14 осуществляют выделение переменной составляющей сигнала J, интенсивности из выходного напряжения усилителя 13. Опорное напряжение с частотой Р для синхронного детектора 14 формируют с пом(.ью датчика 11 модулятора 4, Регистрацию сигнала Зг осуществляют с помощью индикатора 15. В этом случае связь между измеренной величиной 3, , коэффициентом отражения R , зеркала и диэлектрическими потерями iijj образца 6 толщиной cJj выражается соотношением гпф (и --115лпФ2 Jrt CVV-fj2. -од. 251ПФ5 COS Ф2 г- д , . Для определения неизвестной величины произведения CW осуществляют модуляцию потока излучения генератора 1, прошедшего через делитель 2, введением в него с частотой F только зеркала 7. Для этого плоское зеркало 7 модулятора 4 с закрепленньии на части его отражающей поверхности образцом 6 с помощью каретки 8 и кривошипно-шатунного механизма 9, совершает возвратно-поступательное движение с частотой F , задаваемой электродвигателем 10. Крайние положения плоского зеркала 7 с диэлектрическим образцом 6 относительно потока излучения приведены на фиг. 3, При этом в первую половину периода модуляции поток излучения после диафрагмы 3 отражают с помощью зеркала 7 без образца 6 и передают через диафрагму 3 на делитель потока 2. С помощью делителя 2 осуществляют отделение части потока излучения к приемнику 5. Во вторую половину периода модуляции поток излучения после диафрагмы 3 проходит над зеркалом 7 без отражения. При этом сигнал на входе приемника 5 отсутствует. Регистрацию амплитудно-модулированного излучения осуществляют с помощью приемника 5. Вьделяют переменную составляющую сигнала 3 интенсивности принятого излучения. Для этого с помощью квадратичного детектора 12 приемника 5 осуществляют детектирование амплитуд но-модулированного излучения. С помощью усилителя 13 усиливают сигнал с выхода детектора 12. С помощью синхронного детекто ра 14 осуществляю вьщеление переменной составляющей З, интенсивности выходного напряжения усилителя 13. Опорное напряжение с частотой F для синхронного детектора 14 формируют с помощью датчика 11 модулятора 4. Регистрацию сигнала DO осуществляют с помощью индикатора 15. В этом случае По измеренным значениям 3 , 3 , DO определяют коэффициент отражения R зеркала з,фД5 пЧ п со5Ч;)-з фД5;пЧ п со5Ч,,) Jo((,) п- показатель преломления образца 6 Введение дополнительных операций модуляции по амплитуде потока электромагнитного излучения отражательными элементами, вьшолненными в виде находящихся в оптическом контакте с зеркалом двух дгэлектрических образцов разной TOjmiHHbi, позволяет регистрировать приемником и выделять переме гные составляющие сигнала J, , ,1. , Зд , которые могут быть измерены с высокой точностью. Поскольку 3 и Tj существенно зависит от величины потерь при отражении излучения от исследуемого зеркала ( t 1 - R), то данньм способ позволяет реализовать определение близких к единице значений коэффициента отражения Я зеркал с более высокой точностью по сравнению с другими известными способами.. Кроме TorOj описанный способ исключает необходимость использования эталонного зеркала с точно известным значением коэффициента отражения. В способе также не требуется точное знание тангенса угла потерь исследуемых диэлектрических образцов. Для реализации способа достаточно, чтобы поглощение излучения в диэлектрических образцах было соизмеримо с величиной потерь при отражений излучения от исследуемого зеркала. Указанное условие при наличии ориентировочных данных э величине тангенса угла потерь материала, используемого для изготовления диэлектрических образцов, практически легко вьшолнить путем подбора толщины образцов.

г.2

Фиг.З

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ ЗЕРКАЛ, заключающийся в том, что модулируют по амплитуде поток электромагнитного излучения путем введения в него с заданной частотой отражательного элемента и регистрируют отраженное излучение, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения коэффициентов отражения , близких к единице,в субмиллиметровом диапазоне, поток электромагнитного излучения модулируют по амплитуде поочередным введением в него первого диэлектрического образца толщиной ,-;й.-,:г.-.; f с/ , находящегося в оптическом контакте с зеркалом, и зеркала без диэлектрического образца, регистрируют отраженное излучение от обоих отражательных элементов, выделяя переменную составляющую сигнала J , затем поток электромагнитного излучения модулируют по амплитуде поочередным введением в него второго диэлектрического образца толщиной d, находящегося в оптическом контакте с зеркалом, и зеркала без диэлектрического образца., регистрируют отраженное излучение от обоих отражательных элементов, выделяя переменную составляющую сигнала .;-Ъ , после чего поток электромагнитного излучения модулируют введением в f/ него с той же частотой только зеркалаJV/ регистрируют отраженное от него излу- 1 чение, вьщеляя переменную составляющую сигнала о , з коэффициент отражения R зеркала определяют из соотношения 1 , где ГС (s Ф +n COsЧJ-J,Ф,{sтn Ф,+Лoз2ф,, го А:о со o(-)(.) а .1пс(„ 2y/hd, Ф, 4-2- . . п - показатель преломления диэлектрических образцов; Л - длина волны; К.,Ы, 0,1; K cJjCO.I, при этом где К Kj - коэффициенты поглощения диэлектрических образцов.