Способ измерения показателя преломления оптически неоднородных материалов Советский патент 1990 года по МПК G01N21/43 

Изобретение относится к оптике, а именно к экспериментальным способам определения показателя преломления оптических материалов.

Целью изобретения является ускорение процесса измерений.

На чертеже представлена схема устройства для реализации способа.

Устройство содержит источник 1 направленного монохроматического излучения, поворотный столик с калибровочной шкалой с неподвижной частью 2 и подвижной частью 3, волноводный слой 4, подложку 5, входную призму 6 связи с неизвестным показателем преломления, выходную призму 7 связи и фотодетектор 8.

Способ осуществляют следующим оо- разом.

Из исследуемого материала изготавливается входная призма связи волновода с двумя обработанными гранями.. Для измерений используется калиброван ный планарный оптический волновод с двумя известными значениями эффективных показателей преломления волновод- ных мод одинаковой поляризации nm и пГП4. . Одна из обработанных граней исследуемой призмы прижимается к калиброванному волноводу и обеспечивается связь с ним, а на другую обработанную грань направляется коллимиро- ванный луч света зондирующего монохроматического излучения. Далее с помо Л

35 Э

so

щью поворотного столика и фотодетектора измеряются два резонансных угла падения оЈти tim+,Ha входную грань призмы, соответствующие возбуждению волновода на калиброванных модах и определяется искомая величина показателя преломления призмы Пр на длин волны зондирующего излучения.

Соотношение, связывающее значение эффективного показателя преломления nm волноводной моды с показателем

преломления п. вид

вводной призмы, имеет

Знак (+) берется, когда падающий луч лежит между основанием призмы и нормалью к грани, а знак (-) имеем, когда в той же области лежит отраженный луч.

Для многомодового волновода с числом резонансных мод М5 2 для Моды с индексом m выражение (1) примет вид

nm n sin A ± arcsinC Jn.) , (2) г J

а для моды с индексом m + 1

Изобретение относится к оптике, а именно к экспериментальным способам измерения показателя преломления оптических материалов. Перед началом измерений осуществляется калибровка значений эффективных показателей преломления резонансных мод оптического планарного волновода. Используя калиброванный планарный волновод с известными значениями эффективных показателей преломления на длине волны зондирующего излучения с помощью вводной призмы связи, изготовленной из исследуемого материала с неизвестным показателем преломления, измеряют два резонансных угла возбуждения волноводных мод одинаковой поляризации и по соответствующей формуле определяют искомый показатель преломления. 1 ил.

nm npsin A ± arcsin(-),(l) 15nm+( npsin A±arcsin(-)j.(3)

где А - угол между основанием и входной гранью призмы;

т угол падения на входную грань20 призмы.

г .г,

nm+sinoit«nmsinoim(n )+(sinVm+sinVh,t1)J (nmsin oЈw- nmtsintfm+( 7

Ј-2 5)

(nm -nm+1 ) + (sino -sin cЈm.,}

12(nmsinoin, - nr

Волновод калибруется с помощью призмы, показатель преломления которого известен с высокой точностью (не хуже ). Оптическим материалом для этих целей может служить набор разных марок тяжелого флинта (например, ТФ-5 с n f,). Набор эффективных показателей преломления волновода nm этим способом можно определить с точностью +1-1 (Г .

Калиброёку эффективных показателей преломления волновода п№ можно проводить с помощью рефрактометрического способа. В конкретном варианте реализации способа эталонные вводные призмы изготавливают из сверхтяжелого флинта марки ТФ-5, с помощью которых проводилась калибровка эффективных .показателей преломления планарного ионообменного оптического волновода в стекле марки К-8. Из кристаллов LiNbOj изготовляют исследуемые призмы связи. С их помощью на гониометре ГС-5 измеряют новые резонансные углы возбуждения калиброванного волновода и по формуле С) определяют искомые показатели преломления кристалла LiNbOj. Для одновременной проверки возможностей способа для измерения по

Исключив из выражений (2) и (3) угол А, получаем формулу для расчета показателя преломления призмы в виде

111

/4)

.,.)

5 0

5 Q 5

казателя преломления малогабаритных оптических материалов исследуемые прчзмы из кристаллов LiNbO изготовляют с линейными размерами менее 10 мм. В результате данной последовательности операций измерений на длине волны Д 0,6328 мкм получают значения обыкновенного показателя преломления п0 2,2888 и необыкновенного показателя преломления п| 2,201.

Способ определения показателя преломления прост и заключается в измерении резонансных углов возбуждения калиброванного волновода и вычислении неизвестного показателя преломления по формуле (4). В отличие от гониометрического способа, где угловые измерения проводятся с помощью наблюдения совпадения изображения щели с нитью окулярного креста, в способе использование волноводной техники позволяет измерять резонансные углы вол- новодных мод регистрацией интенсивности света с помощью фотоприемника. Такая техника угловых измерений увеличивает быстродействие исследования дисперсии оптически неоднородных материалов. Проведение измерений на двух волноводных модах одной и той

же поляризации позволяет исключить угол А между входной гранью и основанием исследуемой призмы, что приводит к уменьшению операций угловых измерений и к дополнительному уменьшению времени процесса измерений. Особенно использование волноводной техники 9ка зывается эффективным для обеспечения процесса измерения показателя преломления в невидимой области спектра. Так как угловые измерения основаны на регистрации резонансных углов возбуждения волновода, поэтому качество обработки граней вводной призмы не существенно для процесса измерений, что важно для мягких трудно обрабатываемых оптических материалов. Снижение требований к оптической обработке призмы и обеспечение процесса измерений показателя преломления оптически неоднородных материалов в невидимой области спектра позволяют эффективно использовать его для измерения дисперсии таких трудно обрабатываемых оптически неоднородных материалов, как сверхтяжелые флииты с п 2,0-2,3 и халькогенидные стекла с п 2, Время измерения показателя преломления оптических материалов с помощью

62791б

способа на длине волны О-,6328 мкм равно 15 мин, вместо нескольких часов в случае измерений гониометрическим способом.

0

5

5

0

Формула изобретения

Способ измерения показателя преломления оптически неоднородных мате- риалов, включающий направление кол- лимированного монохроматического излучения на исследуемый образец, выполненный в виде призмы, отличающийся тем, что, с целью ускорения процесса измерений, колли- мированное монохроматическое излучение направляют на призму, оптически связанную с пленарным оптическим волноводом с известными значениями двух эффективных показателей преломления nm и nm+1) возбуждают в нем две волноводные моды монохроматического излучения, соответствующие известным значениям эффективных показателей преломления планарного волновода, определяют резонансные углы сЈт и оЈцц«, возбуждения этих волноводных мод и рассчитывают величину искомого показателя преломления пр по формуле I

«4