Способ измерения оптических параметров фазовых пластинок и устройство для его осуществления Советский патент 1985 года по МПК G01N21/00 

2. Устройство для измерения оптических параметров фазовых пластинок, содержащее источник излучения и расположенные по ходу излучения поляризатор, модулятор эллиптичдости, два светоделителя для получения четырех расщепленных параллельных лучей и расположенное между светоделителями основание для крепления исследуемых фазовых пластин, четвертьволновую фазовую пластиНку и фотоприемник, на выходе которого подключен узкополосиый . усилитель, настроенный на нечетную гармонику модуляции, отличающееся тем, что, с целью измерения параметров произвольным образом ориентированньпс разовых пластнок, в устройство введены циркуляр 51ая фазовая пластина с вращением плоскости поляризации на угол 45 , анализатор азимута, диафрагма с механизмом перемещения ее в перпендикулярной направлению излучения плоскости и узкополосный усилитель четных гармоник, при этом циркулярная фазовая пластина расположена в одном из расщепленных лучей между светоделителями перед основанием дл крепления исследуемых фазовых пластин, а четвертьволновая фазовая пластина, анализатор азимута и диафрагма размещены последовательно по ходу излучения между вторым светоделителем и приемником излучения таким образом, что анализатор и диафрагма перекрывают все четыре расщепленных луча, четвертьволновая фазовая пластина перекрывает два отраженных

вторым светоделителем луча, и ее осы параллельна оптической.оси модуля тора, а диафрагма в любом из четырех фиксированных положений пропускает лишь один расщепленный луч, причем узкополосный усилитель четных гармоник соединен с выходом фотоприемника ,

3. Устройство по п. 2, о т л ич а. .ю щ е е с я тем ,что каждьй из двух светоделителей изготовлен из трех светоделительных кубиков и двух призм полного внутреннего отражения, причем к обеим выходным граням первого светоделительного кубика оптически присоединены входные грани второго и третьего светоделительных кубиков, плоскости падения всех трех светоделительных кубиков взаимно перпендикулярны, а отношение коэффициентов отражения к коэфе ициентам пропускания светоделительных кубиков составляет 1:3, выходная грань второго светоделительного кубика, ортогональная плоскости падения на первый кубик, оптически соединена с входной гранью первой приз я I полного внутреннего отражения, причем плоскости падения первой , призмы и второго кубика взаимно параллельны, а их отражающие плоскости взаимно перпендикулярны, выходная грань первой призмы полного внутреннего отражения оптически соединена с входной гранью второй призмы полного внутреннего отражения, причем их плоскости падения взаимно перпендикулярны.

1. Способ измерения оптических параметров фазовых пластинок, состоящий в том, что через исследуемый объект пропускают модулированньй по состоянию поляризации луч, измеряют азимуты анализатора, при которых амплитуды соответственно четных и нечетных гармоник равны нулю, и по измеренньм величинам азимутов анализатора определяют параметры фазовых пластинок, о тличающий ся тем, что, с целью измерения параметров произвольным образом ориентированных фазовых пластинок, через исследуемьй объект дополнительно пропускают второй луч, модулированный по состоянию поляризации, направление азимутов осей эллипса которого повернуто на 45 относительно азимуО) тов осей эллипса поляризации первого луча, причем после прохождения . лучей через исследуемьй объект создают в обоих лучах различные разности фаз между линейно поляризованными ортогональными составляющими, отличающиеся на 90 .

1

Изобретение относится к оптике и измерительной технике и предназ. начено для исследования анизотропных сред.

Известен способ измерения параметров фазовых пластинок СФП), заключающийся в пропускании через исследуемый объект модулированного по состоянию поляризации луча, определения путем .поворота анализатора угловых величин, при которых

амплитуды гармоник равны нулю, и определения по углу поворота анализатора параметров фазовых пластинок. Под фазовой пластинкой подразумевагот любой оптически анизотропный плоскопараллельный объект ij . ОднаКр этот способ не применим, если измеряемый объект обладает одновременно линейным и циркулярным

двулучепреломлением и при этом необходимо заранее знать направление оптической оси исследуемого объекта. 3 Наиболее близким к предлагаемом по технической сущности является способ измерения оптических параме ров фазовых пластинок, состоящий в том, что сквозь исследуемый объект пропускают модулированный по состоянию поляризации луч и измеряют азимуты анализатора, При которых амплитуды соответственно четных и нечетных гармоник равны нулю и по измеренным величинам азимутов анализатора определяют параметры фазо вых пластинок 2 . Способ осуществляют устройством поляризационного интерферометра, содержащим источник излучения и ра положенные вдоль оси прибора поляризатор, модулятор эллиптичности, два светоделителя для получения че тырех параллельных осей, четвертьволновую пластинку, фотоприемник, на выходе которого подключен узкополосный усилитель, настроенный на нечетную гармонику модуляции з Недостатком известных способа и устройства является то, что необходимо заранее знать направление оптической оси исследуемого объекта, причем точность измерений зависит от точности ориентации осей, а направление оптической оси часто бывает неизвестно и не всегда его возможно определить, причем в кристаллах низших сигоний направление оптических осей зависит от частоты излучения. Цель изобретения - измерение оптических параметров произвольным образом ориентированных фазовых пластинок. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения оптических параметров фазовых пластинок, состоящему в том, что через исследуемьй объект пропускают модулированный по СОСТОЯНИЮ поляризации луч, измеряют азимуты анализатора, при которых амплитудь соответ ственно четных и нечетных гармоник равны нулю, и по измеренным величинам азимутов анализатора определяют параметры фазовых пластинок, через исследуемый объект дополнительно пропускают второй луч, модухтрован ный по состоянию поляризации, направление азимутов осей эллипса которого повернуто на 45 относительно азимутов осей эллипса поля54ризации первого луча, причем после прохождения лучей че1Ьез исследуемый объект создают в,обоих лучах различные разности фаз между линейно поляризованными .ортогональными составляющими, отличающиеся на 90 . Способ осуществляют устройством для измерения оптических параметров фазовых пластинок,содержащем источник излучения и расположенные по ходу излучения поляризатор,модулятор эллиптичности, два светоделителя для получения четырех расщеплеиных параллельных лучей и расположенное между светоделителями основание для крепления исследуемых фазовых пластин, четвертьволновую фазовую ппастинку и фотоприемник, на выходе которого подключен узкополосный усилитель,.настроенный на нечетную гармонику модуляции. В устройство введены циркулярная фазовая пластина с вращением плоскости поляризации на угол 45 , -анализатор азимута, диафрагма с механизмом перемещения ее в перпендикулярной направлению излучения плоскости и узкопопосный усилитель четных гармоник, при этом циркулярная фазовая пластина расположена в одном из расщепленных лучей между светоделителями перед основанием Для крепления исследуемых фазовых пластин,,а четвертьвол новая фазовая пластина,анализатор азимута и диафрагма размещены последовательно по ходу излучения между вторым светоделителем и приемником излучения таким образом, что анализатор и диафрагма перекрывают все четыре расщепленных луча, четвертьволновая фазовая пластина перекрывает два отраженных вторым светоделителем луча,И ее ось параллельна оптической оси модулятора, а диафрагйа в любом из четырех фиксированных положений пропускает лишь один расщепленный луч, причем узкополосный усилитель чётных гармоник соединен с выходом фотоприемника. Кроме того, каждый из двух светоделителёй изготовлен из трех светоделительных кубиков и двух призм полного внутреинего отражения, причем к обеим выходным граням светоделительного кубика оптически присоедимеиы входные грани второго и третьего светоделительных кубиков плоскости падения всех трех сэетоделительных кубиков взаимно перI ,

пендикулярны, a отношение коэффициентов отражения к коэффициентам пропускания светоделительных кубиков составляет f:3, выходная грань второго светоделительного кубика, ортогональная плоскости падения на , первый кубик, оптически соединена с входной гранью первой призмы Ттолного внутреннего отражения, причем плоскости падения первой призмы и второго кубика взаимно параллельны а их отражающие плоскости взаимно . перпендикулярны, выходная грань первой призмы полного внутреннего отражения оптически соединена с входной гранью второй призмы полного внутреннего отражения, причем их плоскости падения взаимно перпендикулярны.

На фиг. 1 изображены координаты эллиптической фазовой пластинки, на фиг. 2 - сфера Пуанкаре (СП), на фиг. 3 - устройство, реализующее предлагаемый способ; на фиг. 4 светоделитель.

Устройство (фиг, 3 содержит источник ) излучения, поляризатор 2, модулятор 3 с оптической осью, повернутой на угол 45 относительно плоскости пропускания поляризатора, светоделители 4 и 5, циркулярную фазовую пластинку 6, вращающую, плоскость поляризации на угол , четвертьволновую фазовую пластинку 7 с оптической осью, параллельной оптической оси модулятора, анализатор 8, диафрагму 9 с механизмом перемещения в плоскости перпендикулярной четырем осям прибора, образованных светоделителями которая в любом из 4-х фиксированных положений, открывает лишь одну ось, фотоприемник 10, узкополосные усилители 11 и 12, выполняющие роль нуль-индикаторов, которые настроены соответственно на первую и йторую гармоники, место расположения исследуемого объекта 13.

Светоделитель, в котором исключено искажение состояния поляризации (фиг. 4) содержит светоделителные кубики 14-16, и призмы 17 и 18 полного внутреннего отражения. Грани кубиков и призм, связанные лучом, соединены посредством оптического контакта (не показано).

Для адекватного представления произвольным образом ориентированн

75

эллиптической ФП необходимо знать собственные векторы наибольшей и наименьшей скоростей и разность фаз между ними. Собственные векторы являются характеристикой материала, из которого изготовлена ФП, а также ее ориентации и задаются векторами Джонса или Стокса или координатами на СП. Разность фаз Р

между собственными векторами - величина, пропорциональная толщине ФП, Оба собственных вектора ортогональны, поэтому на СП изображаются двумя противоположными точками диаметра Р и Q; в связи с чем достаточно ограничиться координатами лишь одного вектора, например наибольшей скорости Р, Координаты этого вектора на СП задаются в системе (X. и Я или J и § ,

где & - азимут большой оси эллипса; / - ЭЛЛИПТИЧНОСТЬ;

У - отношение амплитуд -г ;

О - разность фаз между этими

амплитудами.

Таким образом, эллиптическая ФП характеризуется следующими тремя величинами: o« , /7 и С или У , S и€ . Беличины ot и (или у и 8 ) определяют ось вращения, вокруг которой необходимо повернуть СП на угол С ,чтобы отобразить действие данной ФП,

Если между азимутами поляризатора и-модулятора эллиптичности (например, электрооптического кристалла угол 45, то модуляция изображается дугой большой окружности. Обозначим: V - вершина модуляций; F - полюс модуляции, плоскости RVL, VFH и LFR - соответственно плоскоети модуляции, симметрии и асимметрии.

Известно, что, если анализатор описывается точкой на плоскости симметрии, то амплитуды нечетных гйрмоник равны нулю (). а если на плоскости симметрии, то равны нулю амплитуды-четных гармоник ().

Если изображение анализатора на СП совпадает с полюсом, весь переменный сигнал равен нулю (). Точки (фиг. 2),обозначенные штрихами, образуются из соответствующих точек

без штрихов поворотом сферы вокруг диаметра RQ на угол v, Этот поворот описывает дейстйне ФП. Поэтому после прохождения луча с модулированной эллиптичностью, который изображен на СП дугой вокруг V, сквозь произвольную ФП, представленную точкой Р, изображением модулированного луча станет дуга вокруг V . Процесс измерения состоит в след ющем. Вращая анализатор азимута, который установлен перед фотопр 1емником находим точку S (т.е. азимут ), при этом , так как S лежит в плоскости симметрии. Поэтому первая том, чтобы най задача заключается в исходную точку S, которая как и В середине лежит на экваторе СП. дуги SS лежит точка которая оп ределяет искомую координату Wp Для определения точки S необходимо найти длину дуги V . Для этого надо определить точку G (т.е азимут анализатора oi-i), где -0Затем нужно повернуть -азимут осей эллипса входящего модулированного излучения на 45 (например, введени ем оптически активного элемента), получаем модуляцию, изображенную дугой на окружности LFR вокруг точки F, которая после прохождения луч сквозь ФП изображается дугой вокруг точки F, и вновь определяем азимут анализатора, при котором , т.е. точку т . Учитывая, что дуги vs+ +SF VS+SF 90, находим длину дуги VS из прямоугольных треугольников vsV и FSG Обозначаем TS и , ;, , о ,, . Из сферической тригонометрии известно, , , ig2b, ig2c,-cos5., (1) t 2bil 2C2-co55 . (2) Так как 2b, , делив (1) на (2) , получаем 2Ь,.01гс1 ф - (3) Значения с , и cj находим из меренных величин , с„ Определяем координату Лр; 2мр НР. t lVH-V5-H5) .-b, Аналогично из прямоугольных треугольников у U W и Fzw- определя ем дугу FZ FZ, чтобы найти точку Pt и координату Sp «SFOPj. В этом состоит второй этап задачи. 1 5 Обозначим , ,, WF 2t, Vw 2r, Имеем ,,.co6w, (5) , -b 2 j-coew. (6) Так как 2f,-t-2ty VF 90 Из сферической тригонометрии известно: cos2{, , . cos2, -1. (8 cos 26, Значения f, и f, находим из из. ., ., f-2.,r меренных величин f .Определяем координату d p : pFPs-FZv Fz4iFR-zR-FZl ,Дпя измерения (/ необходимо повернуть сферу на 90° вокруг оси FO так, чтобы большая окружность LFR, вдоль которой измеряют координату S , была отождествлена с экватором. Для этого надо ввести разность фаз 90 между ортогональными линейно поляризованными составляющими луча после прохождения его сквозь исследуемый объект. В данном примере вводим перед анализатором четвертьволновую пластинку с оптической осью в точке F. Величины «р и Sp позволяют определить и другие координаты риур , используя известные соотношения сферической тригонометрии (б). Анализ полученных результатов на СП позволяет однозначно определить направление вращения. Угол вращения С находим из прямоугольного треугольника --€(bwi,i5M. Для наглядности приводим последр вательность операций, совокупность которых составляет предлагаемый способввйде таблицы На пути луча последовательно устанавливают четыре комбинации оптических элементов, которые приведены в левой части таблицы. ЗдесьП поляризатор; М - модулятор эллиптич ности луча;:С и L - соответственно циркулярная и линейная ФП, создающие разность фаз между ортогональньми составляющими (собственнь1ми векторами) 90°; X - исследуемый объе А - анализатор азимута, Ф - фотопри емник, В правой части таблицы приведены азимуты анализатора, при которых равна нулю гармоника , обозначенная в скобке. «р-45 4(оС5-Ъ,), 8р 45°-06 1 + ГЦ| t 2Qlfct

,

()

,Дс,гсЦ

е

tg2(c,,,-cCv)

Азимуты анализатора определены нулевым методом, используя мультипликативную модуляцию (7), что позволяет достичь высокой пороговой чувствительности - 10.

Приведенные в таблице комбинации оптических элементов не являются единственным примером осуществления предлагаемого способа. Поскольку в приведенных уравнениях имеют место отношения тригонометрических функций, то в некоторых случаях (в зависимости от измеряемых величин) для достижения высокой точности целесообразио ориентировать анизотропные ;элементы. И, М и L другим об- , разом, однако обязательным условием является пропускание двух лучей (последовательно или одновременно| с различными ориентациями азмутов осей эллипсов, отличакнцихся на 45 , причем в обоих лучах после прохождения их сквозь исследуемый объект в них создают {последовательно или одновременно) две дополнительные разности фаз между линейно поляризованными ортогональными составляющими, отличающиеся на 90 {в данном примере О и 90°). Для того, чтобы задача сводилась к реjcos2Ug.-ofv,.)- cto52ei

-агссо5, 26,

шению прямоугольных треугольников, необходимо чтобы азимуты элементов П и М отличались на 45°, а азимуты 30 М н L совпадали.

Принцип действия предлагаемого устройства очевиден из таблицы. При перемещении диафрагмы открываются последовательно те оси, на которых расположены комбинации оптических элементов, приведенных в левой части таблицы, причем между обозначениями в таблице и на фиг.З следующее соответствие: , М-3

, X-13 , А---8, Ф . При каждом из 4-хфиксированных положений диафрагмы измеряют два азимута анализатора , при которых соответственно и . Следует отметить, что при Uj «О азимуты, в;- в первых двух, а также в последних двух комбинациях попарно равны. По измереннъ1м азимутам анализатора рассчитывают параметры ФП.

Изобретение позволяет измерять оптические параметры фазовых пластин, обладающих одновременно линейным и циркулярным двупреломлением при произвольной, в том числе и Неизвестной ориентации оси. Комбинации эле- Азимуты анализатора ментов J .ПМ X АФсс.(и,0) Л. () ПМС X АФ-- a -rUt-O) 5 ПМ ХЬАФоС и -О) flC5;.() ПМС ХЬАФ Г .) По измеренным значениям азимутов (б замеров) определяют величины в о, j, и или Ур , 8п по следующим формулам: /3p 4 i U 2eip-k P у4„ра(), f 2 Vcog Ьр 7J J

и

т

/ fe.2