Рефрактометр поляризационный Советский патент 1985 года по МПК G01N21/41 

t 1 Изобретение относится к оптикомеханическим приборам и может быть использовано для измерений показате лей преломления и поглощения полупроводников, металлов и других поглощающих свет сред, которые нельзя исследовать с помощью известных рефрактометров. Известен поляризационный рефракт метр, содержащий источник излучения, поляризатор, модулятор, измери тельный элемент полного внутреннего отражений и анализатор, связанны обратной связью с фотоэлектрической частью прибора. Поворот анализатора характеризует величину р.зности фаз, а следовательно, и измеряемое значение показателя преломления СП Наиболее близким по технической сзпдности к предлагаемому является рефрактометр поляризацио.шь1Й, содержащий установленные последовательно неподвижное плечо, в котором установлен источник света и расположенные по ходу светового пучка формирователь коллимированного пучк света, разделитель пучков света, оптически связанный с фотоприемником, выход которого соединен с избирательным усилителем, поляризационньй фильтр, механически связанный с двигателем, магнитооптический модулятор, подключенный к сети переменного тока : О предметный сто лик с углоизмерительным устройством которое через привод соединено с реверсивным двигателем, центры вращения которых совпадают с плоскость раздела известной и исследуемой сре объекта, и подвижное плечо, в котором установлено зеркало, причем так, что его отражающая поверхность перпендикулярна направлению распространения отраженного пучка. I Диагональным элементом параллелограмма служит микрометренный винт с гайкой, которая с помощью шарниров соединена с плечами параллелограмма. Микрометренный винт соедине с двигателем постоянного тока, кото рый управляется усилителем мощности подключенным к устройству дифференцирования сигнала фотоприемника. Принцип работы известного устрой ства основан на эффектах измерения азимута восстановленной линейной по ляризации Ч и разности фаз о в районе главного угла падения Л.гд г--г drct } /h-+-jt , где И и К. - относительные показатели преломления и поглощения. При двухкратном отражении поляризов1анного света от границы раздела известной и исследуемой сред под углами падения (.щ независимо от относительных показателей преломления h и поглощения 3t происходит изменение разности фаз а изменение на величину азимута восстановленной линейной поляризации зависит от величины If- т.е. при,о о(щИ двухкратном отражении граница раздела сред работает как ротатор и фазовая полволновая пластинка, преобразующая линейную поляризацию в ортогональную ей. Кроме того, принцип работы известного устройства основан также на эффекте достижения наименьщего значения Р-компоненты отраженного поляризационного света при угле падения с(.г. . Для измерений показателей преломления и поглощения - сред с помощью известного устройства требуется первоначально установить поляризационный фильтр так, чтобы его плоскость пропускания совпадала с плоскостью падения света. Затем устанавливают угол laдeния заведомо меньшим ожидаемого значения V гл и запускают двигатель, связанный с параллелограммом. В процессе плавного изменения угла падения at производят дифференцирование электрического сигнала фотоприемника. При достижении минимального значения дважды отраженного от границы раздела сред света на вькоде дифференцирующего устройства будет нулевое значение сигнала и двигатель привода параллелограмма обтанавливается. Значение угла падения , оС , который принимают за главный угол считывают с углоизмерительного устройства. Затем запускают двигатель, связанный с приводом поляризационного фильтра, и одновременно подключают магнитооптический модулятор к генератору переменного тока. В момент отсутствия в спектре сигнала фотоприемника первой гармоники частоты возбуждения модулятора двигатель останавливается и по угло- мерному устройству привода поляризационного фильтра определяют значенис азимута восстановленной линейной поляризации.

По из1-геренным таким образом значениям V и Н с помощью известных формул Аргера вычисляют искомые вещественные составляющие Пи комплексного показателя преломления и и-J к 2 .

Недостатки этого устройства низкая точность и сложная методика измерений, требующая значительной затраты времени. Причиной тому является низкая точность определения главного угла падения по минимальному значению интенсивности

р-компоненты отраженного света.

. , ..

Цель изобретения - повышение точности и упрощение измерений показателей преломления и поглощения поглощающих сред.

Цель достигается тем, что в рефрактометр поляризационный, содержащий установленные последовательно неподвижное плечо, в котором установлен источник света и расположенные по ходу светового пучка формирователь коллимированного монохроматического пучка света, разделитель пучков света, оптически связанный с фотоприемником, выход которого соединен с измерительным усилителем, поляризационный фильтр, механически связанный с двигателем, магнитооптический модулятор подключенный к сети переменного тока частоты u9, предметный столик с углоизмерительHbw устройством, которое через привод соединено с реверсивным двигателем, центры вращения которых совпадают с плоскостью раздела известной и исследуемой сред объекта, и подвижное плечо, в котором установлено зеркало, дополнительно введены электрооптический модулятор разности фаз, подключенный к источнику переменного напряжения частоты и установленный между магнитооптическим модулятором и предметным столиком так, что его наведенные оси совпадают соответственно с плоскостями падения и раздела сред, и дополнительный избирательный усилитель, соединенный с фотоприемниг ком и настроенный на частоту SI, к выходу которого подключен реверсивный двигатель привода углоизмерительного устройства.

В предлагаемом устройстве компенсация разности фаз о производится.в результате двухкратного отражения поляризованного света, а

5 компенсация изменения азимута восстановленной линейной поляризации производится поворотом поляризационного фильтра. Наличие модулятора разности фаз с указанными связяo ми дает возможность получить положительный зффект, а именно использовать фазовый признак определения главного угла падения о(.гл , что увеличивает точность установки угла

5 .падения а(. в десятки .раз, что

позволяет точнее измерять показатели преломления и поглощения сред.

В предлагаемом устройстве электрооптический модулятор работает на

Q частоте возбуждения fl отличной от частоты возбуждения азимутального магнитооптического модулятора и является составной неотъемлемой частью следящей системы поиска и

5 установки главного угла падения C(IA. Наличие дополнительного модулятора разности фаз и дополнительной следящей системы с усилителем и двигателем позволяет одновременно и непрерывно вести поиск главного угла падения d. / и компенсацию изменений азимута Ч что упрощает и ускоряет процесс измерений.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого устройства;

5 на фиг. 2 - пример изменения интенсивности света, коэффициентов отражения RP и RJ компонентов света, разности фаз О и азимута вос;становленной линейной поляризации Y

1

в зависимости от угла падения с

при однократном отражении от граниры раздела воздух-алюминий.

Рефрактометр поляризацконный 5 содержит неподв1 гжное и подвижное плечи. Б неподв1сжном плече установлены источник Т света, формирователь коллимированного монохроматического пучка света, состоящий из линз 2 и 0 3, между которыми установлен интерференционный фильтр 4, диафрагмы 5 и колл11матора 6, разделитель 7 пучков света, например, в виде делительного кубика, поляризационный фильтр 8, укрепленный на лимбе 9, магнитооптический модулятор 10, подключенный к источнику переменного тока частоты uj , например к сети.

электрооптический модулятор 11 разности фаз, подключенный к источнику 12 переменного напряжения частоты ) , В подвижном плече установлено зеркало 13 так, что его отражающая поверхность постоянно перпендикулярна направлению распространения отраженного пучка света, Между элементами неподвижного и подвижного плеч установлен предметный столик 14 для закрепления исследуемого объекта 15 и углоизмерительное устройство 16. Центры вращения предметного столика 14 с исследуемым объектом 15 и углоизмерительного устройства 16 совпадаютс плос костью раздела известной (например воздух) среды и исследуемого объекта 15,

Неподвижное и подвижное плечи рефрактометра соединены между собой штангами 17 параллелограмма, диагональю которого является подвижный микрометренный винт 18, связанный с электродвигателем 19 с помощью редуктора 20. На выходе разделителя 7 пучков света на пути отраженного пучка установлен фотоприемник 21. К фотоприемнику 21 подключены избирательные усилители 22 и 23. Усилитель 22 настроен на частоту и) возбуждения мо;(улятора 10 и подключен к обмотке управления реверсивного двигателя 24, который механически связан с лимбом 9, а усилитель 23 настроен на частоту Л. возбуждения модулятора 1 и подключен к обмотке реверсивного двигателя 19. Модулятор 11 разности фаз закреплен так, что его наведенные электрическим полем оси совпадают соответственно с плоскостями падения и раздела известной среды и исследуемого объекта 15. Микрометрический винт 18 жестко связан с поворотным столиком 14 и с углоизмерительным устройством 16. Винт 18, редуктор 20 и двигатель 19 составляют привод углоизмерительного устройства, измеряющего угол паде-. ния света на границу раздела известной среды и исследуемого объекта 15.

Рефрактометр поляризационный работает следующим образом.

Сформированный элементами 1-6 отики коллимированный монохроматический пучок света проходит разделитель 7 пучков света, поляризационный фильтр 8 и становится линейно поляризованным, азимут плоскости поляризации которого зависит от

угла поворота 0 лимба 9 совместно с поляризационным фильтром 8. Далее свет проходит магнитооптический модулятор 10, электрооптический модулятор 11 и под углом оС падает

на границу раздела известной (воздух) среды и исследуемого объекта 15. Отраженный пучок света падает на зеркало 13, возвращается обратно и под таким же углом об снова падает на границу раздела сред. После вторичного отражения свет еще раз проходит электрооптический модулятор 11, магнитооптический модулятор 10, поляризационный фильтр 8 и,

0 отразившись от полупрозрачного слоя разделителя 7 пучков света, падает на фотоприемник 21. Если угол Падения , то вследствии различий коэффициентов отражения Rj

5 и RJ после каждого отражения от исследуемого объекта 15 состояние поляризации изменяется (фиг. 2). Причем, при любых значениях и и 3t можно найти такой угол падения oC.o(in (фиг 2), при KOToi oM после однократного отражения разность фаз между Р и S компонентами точно равна 90°, а зависимость азимута восстановленной линейной поляризации Н от угла падения о(. имеет экстремальное значение, т.е.Ч Ниин

Следовательно, при о(.о(.и двухкратном отражении падающий линейно поляризованный свет претерпевает изменения как по азимуту на величину (), ° разности фаз на величину В 180 и становится снова линейно поляризованным, причем его- плоскость поляризации будет ортогональна по отношению к плоскости поляризации исходного пучка (до падения на грани цу раздела сред), если плоскость поляризации фИльтра 8 составляет угол 9 - (%-Ч) по отношению к нулевому (исходному) положению ( - 45) относительно плоскости падения, т.е. если скомпенсирован эффект поворота плоскости поляризации, вызванный разницей между коэффициентами отражения Rp и Rj В этом случае фотоприемник 21 будет воспринимать минимальный световой поток.

Кроме того, состояние поляризации падающего, и отраженного света дополнительно изменяется по гармоническому закону на небольшую величину с помощью модуляторов 10 и 11, Под воздействием изменяющегося с частотой (jj магнитного поля на активное вещество (стекло) модулятора 10 падакяций линейно поляризованньй свет модулируется по азимуту с коэффициентом модуляции 0,1. Под воздействием изменяющегося с частотой SI 1 переменного продольного электрического поля одноосный кристалл модулятора 11 становится двухосным. В процессе прохождения света через модулятор 11 поляризованный свет модулируется по разности фаз с коэффициентом модуляции меньшим 0,1.

Следовательно, после двухкратног отражения под углом od: oCj и двухкратного прохождения через модуляторы свет снова становится линейно поляризованным и промодулированным как по азимуту с частотой и) , так и по фазе с частотой Q . После вторичного прохождения поляризационног фильтра 8 световой поток минимален и содержит небольшие переменные составляющие вторых гармоник частот модуляции 2 и) к 2 fl.

В этом случае электрические сигналы фотоприемника в виде переменны составляющих частот 2ч) и 2 Я. не воспринимаются избирательными усилителями 22 и 23 и двигатели 24 и 19 находятся в состоянии покоя.

Если угол падения не равен главному углу, например оос.то согласно фиг. 2 , а Ч Углин . Тогда после двухкратного отражения свет будет эллиптически поляризованным. В этом случае свет не погашается поляризационным фильтром с прежней ориентацией плоскости пропускания, а в спектре сигнала фотоприемника 21 присутствуют переменные составляющие первых гармоник частот модуляции и) и и , фазы которых зависят от направления отклонения от точки 3. Переменная составляющая сигнала частоты и) усиливается избирательным усилителем 22 и подается на обмотку управления двигателя 24, который вращает поляризационный фильтр 8 в направлении, соответствующем фазе переменной

составляющей до момента исчезновения в спектре сигнала фотоприемника первой гармоники частоты (.0. Переменная составляющая сигнала 5 частоты Л усиливается избирательным усилителем 23 и подается на обмотку управления двигателя 19, который через редуктор 20 вращает микрометрический винт 18 и изменяет угол падения в данном случае в сторону уменьшения до тех пор, пока двухкратно отраженный свет становится линейно поляризованным, т.е. когда в спектре сигнала фото5 приемника исчезает переменная составляющая частоты Л .

Таким образом, при любых зна-. чениях показателей преломления п и поглощения Jt сред следящие системы с двигателями 19 и 24 автоматически устанавливают угол падения о(. о(д и азимут поляризационного фильтра 8 в положение 0 - (% - У ) - (45 -V). Значение угла падения измеряется углоизмерительным устройством 16 а значение азимута Ч 45° - 0 определяется с помощью лимба 9. Значение искомых показателей п и поглощения ЗС Q определяют с помощью, например

калькулятора, мини ЭВМ или встроенного микропроцессора по известным формулам Арчера или при п 1 по упрощенным формулам

h ,2y;

Эе-Зт оСглЦг л Sh2Y.

Предлагаемое устройство имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с известными устройствами. Основные из них следующие. Во-первых благодаря наличию модулятора 11 разности фаз (фиг. 1) основным признаком правильной установки угла падения о( предлагаемом устройстве является точное значение разности фаз § 180°. Кривая зависимость разности фаз S от угла падения оС в окрестностях Vj имеет большую крутизну (с учётом двухкратного отражения d(5/do. 10), В то же время OCHOBHI,IM признаком установки главного угла падения 5с j в известных устройствах является минимальное значение коэффициента отражения Р, , кривая зависимости которого от угла падения (Л в окрестности o(.j чмеет ничтожно малую крутизну (dRp/dcC O) . Поэтому наличие дополнительного модулятора разности фах в предлагаемом устройстве увеличивает чувствительность прибора в десятки раз при поиске главного угла падения с. л что приводит к увеличению точности измерений показателей преломления и поглощения исследуемых сред.

Во-вторых, наличие в предлагаемо устройстве модулятора разности фаз, возбуждаемого частотой 0- , наличие дополнительной следящей системы с усилитех м 23, настроенным на частоту Л , ц с двигателем 19 позволяет одновременно и непрерывно вести поиск как главного угла падения d.f , так и производить компенсацию изменений азимута с помощью поляризационного фильтра 8. Это значитепьно упрощает процесс измерений по сравнению с известными устройствами, которые требует поэтап|ных измерений сначала главного угла падения а затем угла поворота поляризационного фильтра при компенсации изменений азимута.Ч ,

Предлагаемый рефрактометр поляризационный может использоваться для исследований любых поглощающих сред, особенно для экспрессного контроля полупроводников, металлов, минералов и т.д. Применение рефракто метра на производстве повьшает производительность труда и качество контролируемой с помощью предлагаемого устройства продукции.

РЕФРАКТОМЕТР ПОЛЯРИЗАЦИОНРШЙ, содержащий установленные последовательно неподвижное плечо, в котором установлен источник света и расположенные по ходу светового пучка фор1«1рователь коллимированного аучка света, разделитель пзгчков света, оптически связанный с фотоприемником, выход которого соединен с избирательным усилителем, иоляризационйый фильтр, механически связанный с двигателем, магнитооптический модулятор, подключенный к сети переменного тока частоты oj , предметный столик с углоизмерительным устройством, которое через привод соединено с реверсивным двигателем, центры вращения которых совпадают с плоскостью раздела известной и исследуемой сред объекта, и подвижное плечо, в котором установлено зеркало, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения измерений, в устройство дополнительно введены электрооптический модулятор разности фаз, подключенный к источнику переменного напряжения частоты ft tj и установленный между маг(Л нитооптическим модулятором и предметным столиком так, что его наведенные оси совпадают соответственно с плоскостями падения и раздела сред, и дополнительный избирательный усилитель, соединенный с фотоприемником и настроенный на частоту Л , к выходу которого подключен реверсивный двигатель привода углоизмерительного устройства.

«

ff