Интерференционный способ измерения показателей преломления монокристаллов Советский патент 1991 года по МПК G01N21/45 

Изобретечие относится к контрольно- измерительной технике, в частности к интерференционным способам измерения показателей преломления анизотропных сред, и может быть использовано для измерения главных показателей преломления двупреломляющих монокристаллов.

Известен интерференционный способ измерения показателей преломления, заключающийся в освещении исследуемого анизотропного вещества монохроматическим света, формировании и регистрации интерференционной картины в проходящем или (и) отраженном свете с последующим измерением геометрических параметров ее топологии и вычислении по

ним соответствующего коэффициента пре- помления вещества.

Для измерения значений всех (двух или трех) главных показателей преломления монокристаллов (соответственно, для оптическим одноосных или двуосных кристаллов) необходимо многократное проведение описанных операций измерения по крайней мере не менее чем двух- или трехкратное.

Наиболее близким к изобретению является интерференционный способ измерения показателей преломления монокристаллов, заключающийся в том, что образец монокристалла, снабженный плоской гранью с предварительно нанесенными на ее поверхность несколькими

. Ч

участками двухслойных пленок AqCI - Ag различных толщин, облучают монохроматическим поляризованным пучком света вдоль нормалей к указанной грани, фиксируя соответствующие интерференционные карти- ны рассеянного света в области участков пленок AgCI - Ag различных толщин, измеряют периоды интерференционных полос соответствующих интерференционных картин и по результатам этих измерений вычис- ляют значения показателей преломления.

Недостатком этого способа-является низкая производительность и сложность реализации, что обусловлено необходимостью использования вспомогательных процедур формирования и фиксирования соответствующих интерференционных картин рассеянного света, реализация которых, равно как и измерение геометрических параметров их топологии, требует весьма сложного методического, аппаратурного и технологического обеспечения. Недостатком является также ограниченная информативность, обусловленная возможностью измерения с использованием данного об- разца монокристалла значения показателя преломления лишь для одного заданного направления.

Целью изобретения является позыше- ние производительности и упрощение спо- соба без снижения точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения показателей преломления монокристаллов, заключающемся в том, что образец монокристалла облучают монохроматическим поляризованным пучком света, регистрируют интерференционную картину рассеянного кристаллом света с последующим измерением периода интерференционных полос и по результатам этих измерений вычисляют значение показателей преломления монокристалла, образец монокристалла поочередно облучают вдоль каждой одной из трех главных осей оптической индикатрисы, ре- гистрируют интерференционную картину рассеянного кристаллом света со стороны грани, ортогональной биссектрисе угла между соответствующими двумя другими главными осями оптической индикатрисы, а по результатам измерения периодов интерференционных полос соответствующих интерференционных картин вычисляют значения главных показателей преломления монокристалла из системы следующих уравнений:

Я

П2-П1-.

А пз-п2 ;

пз- ni

А.

d2

где щ, па, пз - значения главных показателей преломления монокристалла, отвечающие направлениям трех главных осей его оптической индикатрисы;

di, da, d3 - периоды интерференционных полос в интерференционных картинах рассеянного света при облучении образца монокристалла вдоль главных осей оптической индикатрисы, м;

А- длина волны света, облучающего образец монокристалла, м.

В основу способа положен эффект пространственной модуляции рассеянного света в двупреломляющих кристаллах.

Суть этого эффекта состоит в следующем. Поляризованная световуя волна, войдя в двупреломляющий кристалл, расщепляется на две парциальные когерентные волны, распространяющиеся с различными скоростями и взаимно ортогонадьными направлениями колебаний вектора D электрической индукции (вдоль тех или иных двух главных осей оптической индикатрисы). Разность фаз этих волн б зависит от расстояния I, пройденного ими в данном напраглении в кристалле, и разности показателей преломления (п - п)

света в том же направлении: д р -т- (г/n)-l, где А -длина волны света. Каждая из этих парциальных волн испытывает рассеяние на микронеоднородностях, всегда имеющих место в реальном кристалле, причем если характерные размеры этих микрочеод- нородностей составляют не более 0,1 л, то рассеянный свет оказывается полностью линейно поляризованным с ориентацией плоскости колебаний вектора и перпендикулярно той плоскости, в которой лежат падающий лум и линия наблюдения.

Таким образом, для определенных ориентации линии наблюдения колебания рассеянногосветаоказываютсяортогональными как к линии наблюдения, так и к световому лучу в кристалле. В результате в направлении грани кристалла, ортогональной такой линии наблюдения проходят лишь определенные компоненты двух рассеянных парциальных световых волн, интенсивности которых складываются с учетом их разности фаз д р . В связи с тем, что величина б изменяется вдоль направления распространения света в кристалле, интенсивность рассеянного света, прошедшего в направлении грани кристалла, ортогональной оговоренной линии наблюдения, оказывается пространственно промодулиАА

рованнои с периодом Л -7-3,. который

соответствует изменению величины д р на 2 л , т.е. со стороны указанной грани кристалла наблюдается интерференцией- пая картина рассеянного света в виде периодической системы чередующихся светлых и темных полос. Наиболее контрастной данная интерференционная картина оказывается в том случае, когда линия наблюдения параллельна биссектрисе угла между теми двумя осями оптической лндикатрисы, которые отвечают соответствующим ортогональным направлениям колебаний вектора D двух парциальных когерентных световых волн, на которые расщепляется исходная световая волна, вошедшая вдвупреломляю- щий кристалл. При этом, пространственное распределение наблюдаемой интерференционной картины рассеянного света вдоль направления распространения луча света в

6 (р

6 (р

кристалле подчиняется закону cos -x

sin

2 dip

2

Каждому направлению распространения света в кристалле отвечает свое значение (п1- п) и соответственно свое значение периода Л пространственной модуляции рассеянного света, а следовательно, и свое значение периода d контрастных интерференционных полос, наблюдаемых со сторо- ны грани кристалла, оротсгональной биссектрисе угла между соответствующими главными осями оптической индиктрисы.

Именно это и определяет возможность, облучая кристалл,например, в двух различных направлениях (i, j) в той или иной плоскости облучения и измеряя периоды di и dj соответствующих интерференционных кар- гин, а также зная длину волны А облучающего кристалл света, определить численные значения разности показателей преломления (nu n)j и(п- n)j в данном направлении в монокристалле, а проведя серию подобных измерений для различных направлений распространения облучающего пучка света в кристалле, идентифицировать численные значения и самих величин показателей преломления для соответствующих направлений в кристалле.

Для получения же полной информации о величинах показателей преломления света в любом направлении в кристалле необходимым и достаточным является знание величин главных показателей преломления, отвечающих направлениям главных осей оптической индикатрисы кристалла. В свою очередь, для измерения значений главных

5 1015 20

25

30

35

40

45

50

55

показателей преломления кристалла с использованием описанного эффекта про- странственчой модуляции рассеянного света и с учетом сказанного о выборе грани наблюдения интерференционной картины рассеянного света, необходимо определить также и такой набор направлений облучения кристалла, при котором измеренные значения (п1 - n)j,j.k,l позволяли бы вычислить главные значения щ, П2 и пз.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований показали, что для обеспечений возможности определения полного набора значений главных показателей преломления щ, П2, пз с использованием эффекта пространственной модуляций рассеянного света в дсупоеломляющих монокристаллах, образец монокристалла следует пс. зчередно облучать монохроматическим поляризованным пучком света вдоль каждой из трех главных осей оптической индикатрисы, регистрируя при этом интерференционную картину рассеянного света со стороны грани кристалла, ортогональной биссетрисе угла между теми двумя главными осями оптической индикатрисы, которые ортогональны главной ее оси, вдоль которой осуществляется облучение кристалла. В этом случае периоды di,j,k трех поочередно наблюдаемых интерференционных картин определяются слелующими соотношениями:

А А

di --- ; d2

d3

ПЗ -П2 Я

ПЗ - П1

П2 - Гц

где ni, П2, пз - главные показатели преломления кристалла. В свою очередь, система этих трех уравнений позволяет найти однозначное решение для значений щ, П2, пз.

Способ осуществляют следующим образом.

Образец монокристалла поочередно облучают монохроматическим поляризованным пучком света вдоль каждой одной из трех главных осей оптической индикатрисы. При этом каждый раз регистрируют интерференционную картину рассеянного кои- сталлом света со стороны грани кристалла, ортогональной биссектрисе угла между двумя другими главными осями оптической индикатрисы. Измеряют величины периодов di, d2, ds интерференционных полос соответствующих интерференционных картин в каждом цикле облучения и по результатам этих измерений, зная величину длины волны Я облучающего пучка света, вычисляют значения главных показателей преломления т, П2, пз монокристалла из системы следующих уравнений:

Я ;

А .

ПЗ - П2

А

CJ1

(здесь индексы 1, 2, 3 соответствуют номерам главных осей оптической индикатрисы монокристалла).

Следует отметить, что предлагаемый способ в максимальной степени адаптирован к оптически двуосным кристаллам, для которых оптическая индикатриса является трехосным эллипсоидом. Действительно, в случае оптически одноосных кристаллов, у которых, как известно, оптическая индикатриса является эллипсоидом вращения, а численно различными являются лишь два главных показателя преломления п.з и щ П2, непосредственное применение предлагаемого способа обеспечивает возможность измерения лишь величины разности двух главных показателей преломления пз и щ П2. Причем для этого оказывается достаточным проведение лишь одной операции измерения периода di d2 интерференционной картины при облучении кристалла вдоль малой главной оси оптической индикатрисы. При необходимости же численной оценки самих величин пз и щ достаточным оказывается проведение еще лишь одной операции измерения di d2 при облучении кристалла в направлении, отличающемся от малой главной оси оптической индикатрисы на некоторый угол а. Можно показать, что при

этом ,, ., |Г Г пТТ

j+5in fth -- -n,

iч I nЈI

где /3 - угол между малой главной осью оп тической индикатрисы и направлением распространения светового пучка в кристалле, связанный с углом а входа пучка сзета в кристалл уравнением Френеля.

Этого уравнения совместно с полученным ранее d2 ---достаточно для

идентификации численных значений пз и ги оптически одноосного кристалла.

Таким образом, предлагаемый способ пригоден для монокристаллов любых типов, тем не менее в плане повышения информативности и производительности измерений, а также упрощения реализации, он наиболее адаптирован к оптически двуосным монокристаллам.

В примере практической реализации способа измерялись величины главных показателей преломления монокристаллов молпбдата гадолиния Gd2(MoCM)3-G№Q, относящегося к точечной симметрии mm и являющегося оптически двуосным.

Измерения щ, . пз были выполнены всего на одном образце монокристалла GMO, снабженного двумя системами трех ортогональных граней (100), (010). (001) и

(011), (101), (110),первая из которых использовалась для поочередного облучения кристалла вдоль нормалей к этим граням монохроматическим поляризованным пучком света (от Не - Ne лазера с длиной волны

А 0,6328 мкм), а вторая для поочередной регистрации соответствующих интерференционных картин рассеянного на микронеод- нородностях монокристалла света. Измерение периодов соответствующих интерференционных Коргин, регистрируемых со стороны граней (011), П01)и(110), осуществлялось с помощью электронного блока, содержащего фоточувствительную матрицу ПЗС-элементов, и проводилось путем измерения количества интерференционных полос на фиксированной протяженности участка образца монокристалла с помощью сканирующего ПЗС-фотоприемника. Результаты измерений дали следующие значения периодов di, da. da: dicr(12,2 ±0,1) мкм; - d24l2,1 ±0,1) мкм; d32(1528 ±2) мкм. Вычисленные по измеренным значениям di, d2, da и известному значению Я 0,6328 мкм величины павных пс азателей преломления щ, П2. пз монокри талла GMO составили: пз -1,900; (П2 - ги) 4 и П2 - n i 1,а- {8. Найденные значения щ, П2, пз находятся в полном соответствии с извест- нмми справочными данными для этого монокристалла.

Формула изобретения Интерференционный способ измерения показателей преломления монокри- с аллов, заключающийся в том, что образец

монокристалла облучают монохроматическим поляризованным пучком света, регистрируют интерференционную картину рассеянного образцом света с последующим измерением периода интерференцион5 ных полос: и по результатам этих измерений вычисляют значения показателей преломления монокристалла, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и упрощения способа без снижения

0 точности измерения, образец монокристалла поочередно облучают вдоль каждой из трех Главных осей оптической индикатрисы, регистрируют интерференционную картину рассеянного образцом света со стороны грани,

5 ортогональной биссектрисе угла между соответствующими двумя другими главными осями оптической индикатрисы, а по результатам измерения периодов интерференционных полос соответствующих интерференционных картин вычисляют значения главных показателей преломления монокристалла из системы следующих уравнений:

па- ni A/da;

пз - П2 A /di;

пз- ni A/d2,

аде ni, 02, пз - значения главных показателей преломления монокристалла, отвечаю0

щие направлениям трех главных осей его оптической индикатрисы;

di, d2, аз - периоды интерференционных полос в интерференционных картинах рассеянного образцом света при облучении образца монокристалла вдоль главных осей оптической индикатрисы;

А- длина волны света, облучающего образец монокристалла.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и быть использовано в качестве интерференционного способа измерения показателей преломления монокристаллов. Цель изобретения - повышение производительности и информативности способа, а также упрощение его реализации без снижения точности измерения. Цель обеспечивается за счет использования нового принципа формирования интерференционной картины рассеянного кристаллом света, в основу которого попожен эффект пространственной модуляции рассеянного света в двупреломляющих монокристаллах, реализуемый, в частности, при обпучении образца монокристалла монохроматическим поляризованным пучком света поочередно вдоль каждой одной из трех главных осей оптической индикатрисы и регистрации интерференционных картин со стороны граней кристалла, ортогональных биссектрисам углов между двумя другими главными осями оптической индикатрисы Численные значения показателей преломления вычисляют по результатамизмеренияпериодов интерференционных полос соответствующих интерференционных картин рассеянного кристаллом света из системы трех уравнений, исходя из известной величины длины волны облучающего монокристалл света СО С