Устройство для определения показателей преломления и поглощения твердых тел Советский патент 1985 года по МПК G01N21/41 

Изобретение относится к технической физике, предназначено для измерения показателей пpeлo fлeния п и поглощения 9t твердых тел, и может быть использовано в физической химии для анализа минералов, стекол, полупроводников, пластмасс.

Известно устройство для измерения И и 3t поглощающих сред методом наругоенного полного внутреннего отра жения (НПВО) путем измерения коэффициентов отражения R на границе исследуемой низкопреломляющей среды с высокопреломляющим оптическим элементов. В этом устройстве измерение показателей преломления и поглощения осуществляется путем измерения коэфф циентов отражения света, падающего на границу контакта исследуемой среды с высокопреломляющей средой при различных условиях, например, при нескольких углах падения или при одном угле падения и нескольких поляризациях светового пучка и т.д.L

Недостаток устройства - низкая точность измерений.

Наиболее близким по технической сзгщности к предлагаемому является устройство для определения показателей преломления и поглощения твердых сред содержащее осветительную систему и последовательно расположенные по ходу излучения расщепитель излучения по крайней мере на два пучка, измерительный блок в виде преломляющего оптического элемента с плоской рабочей поверхностью и входной и выходной поверхностями сферической или цилиндрической формы находящегося в оптическом контакте со слоем иммерсионной жидкости, предназначенной для контакта с. исследуемьв 1 твердьм талом, и фотоприемный блок этого устройства t2L

Недостатком устройства является низкая точность измерения показателе преломления и поглощения твердых тел за счет ухудшения оптического контакта на границе измеритепьной призмы с поверхностью измеряемой среды. Использование для улучшения оптического контакта иммерсионной жидкости, слою которой придается плоскопараллельная форма, приводит к необходимости учета интерференционных эффектов и, следовательно, необходимости контроля толщины слоя этой жидкости, что усложняет процесс

измерения н требует использования дополнительной аппаратуры.

Цель изобретения - повышение точности измерений показателей преломления и поглощения твердых тел.

Поставленная цель достигается те что в устройстве для определения показателей преломления и поглощения твердых тел, содержащем осветительную систему и последовательно рположенные по ходу излучения расщепитель излучения по крайней мере на два пучка, измерительный блок в виде прелрмлякицего оптического элемента с плоской рабочей поверхностью и входной и выходной поверхностями сферической или цилиндрческой формы, находящегося в оптическом контакте со слоем иммерсионной жидкости, предназначенной для контакта с исследуемым твердьм тело и фотоприемный блок, слой иммерсионной жидкости имеет клиновидную форму с углом клина в диапазоне от 1 до 3 мин, причем показатель преломления иммерсионной жидкости удовлетворяет соотношению

,-ф(.),

г где

f - показатель преломления

преломляющей среды;, Ic показатель преломления исследуемого твердого тела, оцененный с точностью до О,1.

На фиг. 1 приведена схема устройства; на фиг. 2 - зависимость коэффициента отражения от толщины слоя иммерсионной жидкости.

Устройство содержит осветительную систему 1 и последовательно расположенные по ходу излучения расщепитель 2 излучения,по крайней мере на два пучка, измерительный блок выполненный, например, в виде Сферического или цилиндрического элемента НПВО 3 клиновидный слой иммерсионной жидкости 4 и фотоприемный блок, включающий фокусирующую ЛИНЗУ 5 и приемник 6 излучения, соединенный с электрической схемой 7 регистрации, исследуемое твердое тело 8.

Устройство работает следующим образом.

Излучение от осветительной системы 1 расщепляется расщепителем 2 на несколько пучков и проходит через элемент НПВО 3, слой иммерсионной жидкости 4 и, отразившись от грани цы раздела иммерсионной жидкости 4 с исследуемым твердым телом 8, собирается линзой 5 на фотоприемном устройстве 6, измеряющим коэффициент отражения. При проведении измерений на пре лагаемом устройства прижим образца к призме производится неравномерно Угол образующегося клина иммерсион ной жидкости контролируется по чис лу интерференционных полос. Наблюдаемых и отраженном свете на повер ности образца. При числе полос nop ка 20 средняя погрешность измерения коэффициентов отражения состав ляет 0,2%, что соответствует пои ЗСс п грешностям определения рядка 3-10 т.е. более , I.e. vLJiec чсМ на порядок меньше, чем в известном устройстве. В случае плоскопараллельного сл иммерсионной жидкости зависимость коэффициента отражения от толщины слоя из-за интерференционных эффек тов будет иметь вид, приведенньй на фиг; 2, кривая 9. Погрешности измерения толщины слоя иммерсионно жидкости могут привести к погрешно тям измерения коэффициента отражен йК до значений 1лЯ , следовательно, к погрешностям определения И и зе , вычисляемым из значений R по известным формулам. Для слоя иммерсионной жидкости клиновидной формы коэффициент отра жения для различных лучей, входящих в пучок, будет последовательно изменяться . (интерференции в противофазе) до«„,с (интерференция в фазе) Если по сечению пучка расположено значительное (порядка 10-20) число интерференционнь полос, коэффициент отражения, измеряемый фотоприемником, будет усредняться и приближаться к значению коэффициента отражения от слоя без учёта интерференции. Оценки показывают, что максимальная погрешность определения коэффициента отражения обратно пропорциональна количеству интерференционных полос на поверхности образца uR,e«fR МОМ LplW , где N - число наблюдаеговс интерфе {«иояных полос. 4 Действительно, коэффициент отения светового пучка можно предвить(Ode, о L - линейные размеры пучка вдол клина. спользуя известное выражение коэффициента отражения от слоиссреды, формулу (1) представляют де ,PtC.) cje, (г) 1 +г - -г1+2 г (е) френелевские коэффии циенты отражения от границ призма-иммерсионная жидкость и иммерсионная жидкость исследуемая среда, соответственно, разность фаз между интерферирукяцими лучами. азность (Е) можно вьфаэить з угол клина сС и Е - расстоялуча от края пучка S(e)2Te5ino(. /л, & - угол Падения света. бозначают Вьщеляя целое о периодов, представляют о в 6L 21irJ- - oc.T, N соответствует числу интерференционных полос на поверхности образца. огда, переходя в (2) к интегринию по 8 , область интегрироваможно разбить на две . 2 NTT2Nf-i-5ocT i(5R(5-jfi(5)d&) О) о гмтг спользуя свойства периодичности ции R(), 3) можно представить де S. -(г( оо нтегрируя выражение А получают . -Рг) --(-uR (5) .-r/ri „г „1.„1.г. , ;-Vil,.r (ъ А. N (I «-

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРЕЛОМЛЕНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, содержащее осветительную систему и последовательно расположенные по ходу излучения расщепитель излучения по крайней мере на два пучка, измерительный блок в виде преломляющего оптического элемента с плоской рабочей поверхностью и входной и выходной поверхностями сферической или цилиндрической формы, находящегося в оптическом контакте со слоем иммерсионной жидкости, предназначенной для контакта с исследуемым твердым телом, и фотоприемный блок, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, слой иммерсионной жидкости имеет клиновидную форму с углом клина в диапазоне от 1 до 3 мин, причем показатель преломления иммерсионной жидкости удовлетворяет соотношению. Лж Мп-0. («- с1где Ц,, - показатель преломления преломляющей среды; (/) П - показатель преломления исследуемого твёрдого тела, оцененный с точностью до О,t.