Устройство для измерения фотоупругих постоянных материалов Советский патент 1992 года по МПК G01N21/41 

Изобретение относится к оптике, аку- стооптике и может использоваться, в частности, при определении физических характеристик новых оптических и акустооптических материалов, применяющихся в планарной технологии, исследовании пла- нарных оптических элементов, в которых в процессе работы наводится искусственная анизотропия, определении величины механических напряжений, присутствующих в поверхностных слоях.

Известна устройство в виде рефрактометра ИРФ-23 для измерения показателя преломления (ПП) материала поверхностного волноводного слоя образца. Устройство содержит монохроматический источник света, поляризатор, объектив, измерительную призму, угломерное устройство, связанное со зрительной трубой. Между образцом и измерительной призмой помещена иммерсионная жидкость, В устройстве свет вводится в голноводный слой через торец, а выводится измерительной призмой. Однако такое устройство не позволяет измерять изменение ПП материала волноводного слоя, вызванного приложенным к нему известным одноосным механическим напряжением.

Известно устройство для измерения фотоупругих постоянных оптических материалов, собранное по принципу интерференционной установки, в которой к образцу приложен известный изгибающий момент. Устройство является сложным и громоздким, Оно не позволяет измерять фотоупругие постоянны в поверхностных слоях толщиной менее 100 мкм из-за размытия интерференционной картины вследствие дифракции света на краю образца. Если поверхностный слой имеет градиент ПП в поXJ

ГО ГО О

Qs

перечном направлении, то при распространении света вдоль слоя на расстояние 2-3 мм, становится невозможно идентифицировать интерференционные полосы в картине интерференции опорного и предметного пучков.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения фотоупругих постоянных оптических материалов. Устройство содержит источник монохроматического излучения, коллиматор, блок приложения одноосного механического напряжения к образцу, измеритель механических усилий, угломерное устройство, связанное со зрительной трубой для наблюдения света, прошедшего через образец. Образец выполнен в виде прямой треугольной призмы. Однако приведенное устройство не позволяет вводить свет в волноводный слой и выводить из него. Таким образом, устройство не позволяет провести зондирование светом волноводного слоя с целью измерения изменения ПП этого слоя под воздействием механического напряжения.

Целью изобретения является измерение фотоупругих постоянных материалов поверхностных волноводных слоев. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения фотоупругих постоянных материалов, содержащем источник монохроматического излучения, коллиматор, поляризатор, блок приложения известного одноосного механического напряжения к образцу, измеритель угла выхода луча из образца дополнительно содержится, установленный на образце призменный элемент связи с разделительной канавкой, ориентированной по направлению распространения излучения, по обе стороны которой помещены иммерсионные жидкости с показателями преломления ги и

Л2

ni ns, (1)

па n cos р(пр2 - п2 + n2 sin2 ,

31 Л2 /)

1/2

где n, ns. П) - показатели преломления материалов слоя подложки и призменного элемента связи соответственно, (р угол падения света на границу призменный элемент иммерсионная жидкость. В предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом содержится дополнительно призменный элемент связи, который приводится в контакте измеряемым образцом. На поверхности призменного элемента, обращенной к поверхности образца, выполнена канавка, делящая рабочую поверхность

призмы на две равные части. Такой вид призменного элемента связи позволяет ввести в зазор между волноводом и призмой две иммерсионные жидкости с различными

ПП, Канавка препятствует перемешиванию жидкостей при изгибе образца во время его нагружения.

При возбуждении волноводных мод с помощью призменного элемента связи через воздушный зазор создается большое механическое давление на волновод со стороны призмы, прижимаемой к волноводу, с максимумом нагрузки в пятне возбуждения. Вследствие локального фотоупругого эффекта может возникнуть искажение эффективных ПП измеряемых волноводных мод. Для того, чтобы обеспечить минимальное усилие прижима призмы к волноводу, при котором сохраняется четкая видимость темных m - линий в зрительную трубу, ПП иммерсионной жидкости подбирают равным ПП материала подложки гн DS.

При введении призменного элемента связи в контакт с волноводом и при приложении к образцу изгибающего момента зазор между призмой и волноводом, заполненный иммерсионной жидкостью, становится не плоскопараллельным. О величине и направлении клина судят по количеству и направлению полос равной толщины в картине интерференции получаемой при отражении света от системы призма-слой иммерсионной жидкости - волновод. Максимальный контраст интерференционной

картины будет обеспечен при выполнении соотношения (2), при этом коэффициент отражения от системы призма-зазор, заполненный иммерсионной жидкостью с ПП, равным П2, - волноводный слой при некоторых толщинах зазора равен нулю. Величина угла а клина иммерсионной жидкости рассчитывается по формуле

a arcsm

КА

2Л2

(3)

где К - число интерференционных полос; А- длина стороны клина,Полосы при этом располагаются параллельно ребру клина. С

50 целью параллельного выполнения измерений m - спектра волновода и контроля за клиновидностью зазора и таким образом одновременного использования двух разных иммерсионных жидкостей для предотв55 ращения их смешивания на рабочей поверхности измерительной призмы изготовлена цилиндрическая канавка, расположенная параллельно плоскости падения света и делящая рабочую поверхность призмы на две равные части При этом одна половина призмы (иммерсионная жидкость в зазоре с ПП, равным ги используется для измерения ПП волноводных мод), а вторая (иммерсионная жидкость в зазоре с ПП. рав- ным П2) для контроля за величиной и направлением клина в зазоре. Указанное выше направление канавки на поверхности призмы позволяет добиваться наблюдения интерференционной полосы наибольшего порядка при меньших величинах угла при вершине клина путем использования максимального размера зоны контакта призма - волновод. Например, если П2 1,58, то при угле клина 6,5 полоса 2-го порядка возника- ет на расстоянии I - 10 мм от вершины клииг ДЛР длины волны 0,5 мкм. При появлении полос интерференции, пересекающих плоскость падения света,необходимо механической корректировкой прижима призменного элемента связи к волноводно- МУ слою добиться исчезновения этих линий

На фиг. 1 представлен призменный элемент связи; на фиг 2 и 3 - схема нагружающего устройства и оптическая схема устройства соответственно

Предлагаемое устройство содержит элемент связи в виде призмы 1, в основании которой лежит трапеция с одной боковой стороной, перпендикулярной ее основани- ям. На основании призмы (рабочей поверхности) выполнена канавка 2, делящая згу поверхность на две равные части (поверхности) 3, 4 Поверхность канавки имеет цилиндрическую форму. Призма 1 прижата к образцу 5 контактным устройством 6, Между призмой и образцом находятся иммерси- онные жидкости 7, 8 Нагружающее устройство состоит из жесткой рамы 9. упругого элемента 10, тензорезисторов11,на- гружающего винта 12, шарового шарнира 13, нагружающего элемента 14, штока 15. Оптическая часть устройства содержит источник монохроматического излучения 16, делительный кубик 17, длиннофокусную линзу 18, поворотное зеркало 19, коллиматор 20, поляризатор 21,поворотное зеркало 22, лупу 23, зрительную трубу 24. При помощи штока 15 нагружающее устройство может быть установлено на рефрактометре 1/1РФ-23, модифицированная зрительная труба которого используется для наблюдения m-линий ВОЛНОВОДНЫУ мод и выполнения измерений.

Предлагаемое устройство работает еле- дующим образом. Коллимирочанный пучок от источника мокохоомэтического излучения, 16 с длиной волны Я- 0.589 мкм делится кубиком 17 о два пучка равной интенсивности. Первый пучок через коллиматор 20,

поляризатор 21 направляется на поверхность 4 с иммерсионной жидкостью 7 (т) под углом возбуждения волноводных мод. Второй пучок через длиннофокусную линзу 18, поворотное зеркало 19, направляетсч на поверхность 3 с иммерсионной жидкостью 8 (ri2J. С помощью зеркала 22 и лупы 23 во втором пучке производится наблюдение интерференционных полос равной толщины, которые пересекают плоскость падения света. Путем механической корректировки прижима призменного элемента связи к волноводному слою добиваются исчезновения полос интерференции. В первом пучке наблюдаются темные m-линии спектра волноводных мод. В зрительную трубу рефрактометра 24, соединенную с угломерным устройство производится измерение углов, под которыми видны m-линии, относительно перпендикуляра -к выходной грани призмы. После приложения к образцу известного одноосного механического напряжения а , повторяют измерения, описанные выше. Погружение образца проводится с помощью винта 12 и нагружающего элемента 14. Датчик механических усилий состоит из упругого элемента 10, изготовленного из стали л накпсеьных на него 4-х фольговых гензорезисторов типа ФКГК. Тензорези- сторы окгючены то с/еме полного моста сопротивлений Сила тока разбаланса тен- зомоаа подается на цифровой комбинированный прибор. Тензиэле ент калибруется с помощью образцовых гирь.

Пример конкретного выполнения устройства.

Призменный элзмент связи изготавливался из стекла ТК21 в виде призмы, в осно- вании которой лежит прямоугольный треугольник с углом 60°. Рабочая поверхность призмы имела размеры 10x5 мм. Канавка имела цилиндрическую форму с радиусом 0,5 мм. Образцы изготавливались из стекла К8, в форме плоскопараллельных пластинок с размерами 100x10x2 мм. ПП материала на поверхности волноводного слоя равнялся п 1,52569; пр 1,65680; ги 1,5630; па 1,58377; р 60°. Линза 18 имела фокусное расстояние 50 см и освещала весь слой иммерсионной жидкости с ПП П2. Призменный элемент связи с образцом и нагружающим устройством устанавливался на рефрактометре ИРФ-23. При этом ось вращения зрительной трубы совпадала с поверхностью волноводного слоя, бы-тз параллельна большому ребру образца и проходила через пятно возбуждения волноводных мод. С целью получения автоколлимационного изображения от неизменного

элемента связи зрительная труба рефрактометра жестко крепилась на переходнике, который устанавливался на прежнее место зрительной трубы,

Таким образом, наличие в заявляемом устройстве призменного элемента связи с канавкой на поверхности и двух иммерсионных жидкостей позволяет измерять фотоупругие постоянные материалов поверхностных волноводных слоев путем обеспечения строго одноосного напряжения растяжения волноводного слоя при сохранении четкой картины темных m-лйний и исключения искажения результатов измерений, вследствие возникновения клина иммерсионной жидкости в направлении распространения света.

Формула изобретения Устройство для измерения фотоупругих постоянных материалов, содержащее последовательно расположенные и оптически связанные источник монохроматического света, поляризатор, фокусирующую линзу, измерительную призму, измеритель угла выхода луча света из призмы и блок приложения одноосного механического напряжения, отличающееся тем, что. с целью измерения фотоупругих постоянных волноводных слоев, сформированных на прозрачной подложке, на основании призмы выполнена разделительная канавка, по обе стороны которой размещены иммерсионные жидкости с показателями преломления m ns;

02 n cos p(np2 - n sin2 р)1/2 +

+ n2sln2 ,

где ns - показатель преломления подложки; п, Пр- показатели преломления материалов волноводного слоя и призмы соответственно;

-угол падения света на границу между

призмой и иммерсионной жидкостью,

призма установлена так, что ось канавки совпадает с направлением распространения света, основание призмы пространственно совмещено с прозрачной подложкой

со стороны, на которой сформирован волно- водный слой, призма снабжена средством для регулировки клина, возникающего при указанном совмещении, при этом устройство дополнительно содержит оптический

узел наблюдений интерференционных полос равной толщины в слое иммерсионной жидкости с показателем преломления П2.

Использование: в фотоэлектронной технологии, при производстве интегрально-оптических, акустооптических устройств и исследовании пленочных волноводов. Сущность: предложенное устройство включает измерительную призму, находящуюся в контакте с волноводом, двух оптических каналов, посредством которых при различных механических нагрузках материала волновода можно наблюдать и полосы равной толщины в контакте,и картины темных т-линий, возникающих в отраженном свете за счет ввода определенных угловых компонентов подающего света в волновод. Применение призмы с разделительной паковкой и двух типов нижерзсположенных жидкостей для двух каналов повышает контраст и точность измерений.3 ил.

Фиг.1

16 17 20 2t

kx 4/ чУ

5 7,8

10 11

W

8