Способ поверки поляриметра с вращающимся анализатором Советский патент 1991 года по МПК G01J4/04 

Изобретение относится к метрологии и может быть использовано при метрологическом обеспечении поляризационно-оптиче- ских исследований с использованием поляриметров с вращающимся анализатором.

Метрологическое обеспечение измерений является важнейшей составной частью процессов технологического контроля. Одним из эффективных способов контроля параметров материалов и изделий является поляризационно-оптический метод, основанный на использовании полярископа с вращающимся анализатором и находящий все более широкое распространение в различных областях науки и техники.

Известен способ калибровки и поверки поляриметров, основанный на введении в поляриметр эталонного образца (ЭО) с известной разностью хода и сравнений ее с измеренной величиной. Этот .способ настолько очевиден, что нигде не описан и базируется на общих принципах поверки

средств измерений, заключающихся в измерении характеристик ЭО.

Недостатки этого способа состоят в следующем. ЭО для поляризационных измерений представляет собой пластинку из монокристаллического кварца, который, являясь одноосным кристаллом, обладает естественным двулучепреломлением. Характеризующая ЭО разность хода (5, указанная в его паспорте, определяется для конкретной длины волныЛо монохроматического излучения, проходящего сквозь ЭО перпендикулярно его поверхности. Однако во многих случаях применения поляриметров для контроля свойств . материалов требуется локальность контроля (например, при производстве микросхем), обеспечить которую можно лишь фокусируя зондирующее излучение на объект контроля. Это означает, что зондирующее излучение представляет собой сходящийся пучок с достаточно большим углом сходимости. Вводя в такой пучок ЭО, получим непредсказуемый

сл

с

XJ о о со

00 00

результат измерений, поскольку для лучей, проходящих сквозь ЭО под различными углами, будут различаться как длина пути сквозь ЭО, так и оптические свойства ЭО в силу его оптической анизотропии. Введение расчетных поправок на сходимость пучка практически нереально, поскольку, помимо очевидной сложности этой задачи, для ее решения необходимо знать распределение интенсивности излучения по сечению пучка. Погрешность измерений д в ЭО, обусловленная сходимостью зондирующего излучения, может достигать десятков процентов.

Кроме того, в случае отличия длины волны зондирующего излучения поляриметра Я от До , для которой определена разность хода ЭО, необходимо пересчитывать величину д для новой А с учетом дисперсии показателей преломления ЭО, что также вносит погрешность в измерения.

Цель изобретения - повышение точности поверки и расширение класса поверяемых поляриметров за счет поляриметров со сходящимся световым пучком.

Для достижения поставленной цели в способе поверки поляриметра с вращающимся анализатором, включающем введение в поляриметр эталонного образца и регистрацию полной интенсивности I зондирующего светового луча, прошедшего вращающий анализатор, а также ее переменной составляющей Д 1 на удвоенной частоте вращения анализатора, в поляриметр поочередно вводят два изотропных эталонных образца с известными коэффициентами пропускания п и Тг соответственно, с частотой чередования, равной удвоенной частоте вращения анализатора, и судят о погрешности Д измерений поляриметра по величине разности

А

Т1 - Г2 Л I

Г1

где ri TI ,

Физическая сущность способа в следующем.

В поляриметре с вращающимся анализатором зондирующее излучение поляризовано по кругу, поэтому при любом положении вращающегося с частотой со - 2лf анализатора, интенсивность света I, прошедшего сквозь него, одинакова, и переменная составляющая интенсивности ДI 0. При введении в поляриметр объекта, обладающего естественным или вынужденным двулучеп- реломлением, прошедшее сквозь этот объект излучение становится, в общем случае, эллиптически поляризованным. В этом случае интенсивность света, прошедшего вращающийся анализатор, достигает максимума, когда ось пропускания анализатора совпадает с большой осью эллипса поляризации, и минимума при совпадении оси анализатора с малой осью эллипса поляризации. В результате интенсивность прошедшего вращающийся анализатор света оказывается промодулированной с частотой 2f, причем глубина модуляции Д1/1 связана с величиной двулучепреломления, характеризуемой разностью хода д, соотношением

l (2)

20

Таким образом, введение в поляриметр двулучепреломляющего объекта приводит к модуляции интенсивности света, прошедшего вращающийся анализатор, и измерение двулучепреломления д сводится к измерению величины A I/I. Поэтому ЭО двулучепреломления, характеризующийся величиной б , можно заменить изотропным ЭО,создающим модуляцию интенсивности

25 зондирующего излучения Д|/1, связанную с величиной д соотношением (2). Допустимость такой замены прямого измерения на косвенное подтверждается тем что в отсутствие ЭО поверку проводят методом кос30 венных измерений при помощи образцовых средств измерений, хранящих единицы других физических величин, функционально связанных с воспроизводимой.

Любые требуемые величины Д1/1 можно получить вводя попеременно в поляриметр два изотропных эталонных образца, характеризующиеся коэффициентами пропускания х и TI соответственно, с частотой

чередования 2f, где f -л- , а о - круговая

частота вращения анализатора. При этом для ti та

ДI ri - Га получим -т- .

Iь1

Описанный ЭО можно с высокой точностью аттестовать по величине г .

Для реализации способа может быть использован ЭО, представляющий собой диск, половина которого характеризуется коэффициентом пропускания п , а вторая половина - коэффициентом Т2 .

Указанный диск вводят в поляриметр таким образом, чтобы зондирующее излучение проходило сквозь диск перпендикулярно его плоскости, не захватывая его центральную точку (ось вращения). Диск приводит во вращение с угловой частотой 2 о), где (О-частота вращения анализатора. При этом возникает модуляция интенсивно35

40

45

50

55

(3)

сти зондирующего излучения на частоте 2f,

t а) пДI

где т тт- . Величину модуляции -у- региJ- JbI

стрируют и определяют погрешность поверяемого прибора.

Способ поверки поляриметра с вращающимся анализатором осуществляют следующим образом.

IIS0

Частота вращения анализатора т

20 Гц.

Длина волны зондирующего излучения А 1,15 мкм, угол его сходимости 2 у 40°, диаметр в фокусе 50 мкм. Используемый для поверки эталонный образец в виде диска, половины которого характеризуются соответственно коэффициентами пропускания Ъ 0,81 и Т2 0,75, вращают с частотой 40 Гц. При этом регистрируют величину AI/I 7,7 . Затем определяют по формуле (1) погрешность измерения, которая составляет

A ,7-10-2 0,3-10-2,

что соответствует относительной погрешности измерений

0.3 10 7,7 10

о

4%.

Рассмотрим зависимость результатов измерений величины двулучепреломления в образцовой поляриметрической пластине от угла сходимости зондирующего излучения поляриметра.

Поляриметрическая пластина вырезанная из кристаллического кварца так, что оптическая ось кристалла совпадает с плоскостью пластины. Пусть толщина пластины d 1мм, длина волны излучения А 0,63 мкм. Для этой Я показатели преломления кварца По 1,542819 и пе 1,551880. При прохождении излучением пластины в направлении, перпендикулярном ее плоскости, между компонентами излучения, поляризованными параллельно и перпендикулярно оптической оси кристалла, возникает разность хода

d (ne - по) 0,00906 мм 9,06 мкм.

Крайние лучи пучка с углом сходимости 2 у 60° входят в пластину под углом 30°.

Уравнение эллипса

+

J4-1.

ПеПо

Координаты показателя преломления х п cos30°, у п sin30° Получаем

п0 пе

п -

Vn

cos2 30° + ne 2 sin2 30.

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

1,5496.

Длина пути L луча в пластине d

i

1,155

cos 30°

После прохождения пластины между двумя рассматриваемыми компонентами луча возникает разность хода:

Цп - По) 0,00785 мм 7,85 мкм.

Отсюда видно различие в двухлучепре- ломлении лучей, распространяющихся по нормали к пластине и отклоненных на 30°. Для вычисления интегрального двулучепре- ломления во всем сходящемся пучке необ- ходимЬ произвести расчет по указанным формулам для всех углов в интервале от 0 до 30° и проинтегрировать результат с учетом распределения плотности энергии по сечению пучка, что практически невыполнимо в каждом конкретном случае при поверке поляриметров выполнены без учета изменения направления распространения луча при входе его в пластинку за счет преломления; учет этого явления приводит к еще большему усложнению и без того сложной задачи).

1Лз приведенного примера видно, что эталонные пластины, изготовленные из анизотропных кристаллов, не могут применяться для поверки поляриметров с непараллельным световым пучком.

Таким образом, использование способа поверки поляриметров с вращающимся анализатором обеспечивает по сравнению с известными способами явные преимущества.

Формула изобретения

Способ поверки поляриметра с вращающимся анализатором, включающий введение в поляриметр эталонного образца и регистрацию полной интенсивности I зондирующего светового луча, прошедшего вращающийся анализатор, а также ее переменной составляющей Ai на удвоенной частоте вращения анализатора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности поверки и расширения классэло- веряемых поляриметров на поляриметры со сходящимся световым пучком, в поляриметр вводят изотропный эталонный образец с известным коэффициентом пропускания х, затем вводят второй изотропный эталонный образец с коэффициентом пропускания TI , причем образцы чередуют с частотой, равной удвоенной частоте вращения анализатора, и определяют погрешность Д измерений поляриметра из соотношения

A

TI тй .

T1 - T2 A i

T1

I

Изобретение может быть использовано при метрологическом обеспечении по- ляризационно-оптических исследований с использованием поляриметров с вращающимся анализатором. Цель изобретения - повышение точности поверки и расширение класса поверяемых поляриметров. Введение в поляриметр изотропного эталонного образца с модуляцией интенсивности позволяет поверять поляриметры со сходящимся световым пучком.