Устройство для определения показателя преломления Советский патент 1980 года по МПК G01N21/46 

Изобретение относится к устройствам для определения показателя преломления твердых тел, в частности показателя преломления полупроводни ков и диэлектриков. Известен ряд устройств для опреде ления показателя преломления на основе использования явления полного внутреннего отражения (ПВО). Известно устройство, содержащее стеклянную полусферу с показателем тиве, зрительную трубу, поворачиваю щуюся вокруг горизонтальной оси, проходящей через центр полусферы, измерителя угла поворота зрительной трубы, слой жидкости с показателем преломления п., расположенный между горизонтальной поверхностью полусфе ры и полированной поверхностью образца, имеющего показатель преломле ния п, осветитель, дающий пучок схо дящихся световых лучей, причем п п, п Известно также устройство, содер жащее эталонную призму споказателем преломления п, зрительную трубу, измеритель угла поворота, осветител ную систему, слой жидкости с показа телем преломления п, помещенный между эталонной призмой и поверхностью образца, имеющего показатель преломления п, причем 2. Недостаток описанных устройств состоит в том, что показатель преломления исследуемого вещества не может превосходить показатель преломления промежуточной жидкости, что ограничивает верхний предел измерений значением 2 . Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является устройство для измерения показателя преломления фотопроводящих материалов, содержащее образец из ф6точувствительного материала в виде клина с преломляющим углом о, меньшим угла ПВО, с электродами, нанесенными на грань против преломляющего угла и по ребру преломляющего угла 3. При этом коэффициент поглощения материала образца удовлетворяет соотношению /c ff-faj (1) где К - коэффициент поглощения света в исследуемом веществе; йр - протяженность электрода, нанесенного вдоль ребра преломляющего угла, в направле. НИИ, перпендикулярном ребру Ц - преломляющий угол клина; X - длина волны, соответствующая красной границе фотоэффекта;С - константа. Недостаток этого устройства состо ит в том, что измерения можно производить только в ограниченной области спектра, а именно в той области, где коэффициент поглощения исследуемого вещества удовлетворяет соотношению () и одновременно условию возникно:вёния в образце фототока (т.е. на краю полосы поглощения при сравнительно слабых коэффициентах поглощения). Измерения же в широкой области спектра, где вещество прозрачно и, .следовательно, нефоточувствительяо, посредством этого устройства производить нельзя. , Цель изобретения - расширение спектрального диапазона измерения в область прозрачности вещества, где вещество нефоточувствительно. Возможность измерения показателя преломлениявне зависимости от того фоточувствителен исследуемый матери ал, или нет, позволяет также расширить круг измеряемых материалов за счет нефоточувствительных. Поставленная, цель достигается тем что- в устройство для определения показателя преломления, содержащее об зазец в вид клина с преломляющим углом, меньшим угла ПВО, держатель образца, механизм вращенчя образца вокруг оси, совпадающей по направле .нию с ребром преломляющего угла, из меритель угла поворота образца, осве тительную систему, дающую пучок параллельных световых лучей, перпен дикулярный оси вращения, схему регистрации, введены приемник излучения и светонепроницаемый экран, при чем приемник излучения расположен з гра.нью против преломляющего угла об разца, а экраном частично закрыты две другие грани, начиная от грани против преломляющего угла, при этом moxeli-exp (), () образец имеет геометрические riapa,метры, связанные с коэффициентом по глощения вещества образца в соответ .ствующем спектральном диапазоне соотношениемК i sw (3/2 )/2 е sin d , - длина закрытой экраном части грани образца; gp длина всей грани образц заданные верхний и нижний, соответственно, пр делы измерения показате ля преломления; (/ - преломляющий угол образ ца; По - постоянная, равная 2,4; К - коэффициент поглощения исследуемого вещества. Кроме того, в устройство введена ромежуточная среда с показателем реломления, удовлетворяющим соотноениюде - показатель преломления материала приемника излучения; Пдр - показатель преломления промежуточной среды, находящаяся в оптическом контакте образцом по грани против преломляюего угла и приемником излучения. На фиг. 1 приведена блок-схема устустройства; на фиг. 2 - зависимость .7ах) ) устройства, В данном устройстве образец 1 с преломляющим углом о(. , меньшим угла ПВО, установлен в держателе 2, выполненном с возможностью освещения обеих боковых граней образца, образующих преломляющий угол. Посредством механизма вращения 3 осуществляется поворот образца вокруг оси, совпадаюш.ей по направлению с ребром преломляющего угла. Угол поворота измеряется измерителем угла поворота 4. Осветительная система 4 обеспечивает освещение образца в процессе его вращения параллельным световым пучком, перпендикулярным оси вращения. На грани против преломляющего угла расположен приемник излучения 6, который обеспечивает регистрацию светового потока, выходящего через грань против преломляющего угла-, в выбранном спектральном диапазоне. Приемник включен в схему 7 регистрации зависимости тока от угла поворота образца. Кожух 8 защищает приемник излучения от паразитной подсветки. Светонепроницаемый экран 9 частично закрывает обе боковые граниобразца, начиная от грани против преломляющего угла, и оставляет открытой часть образца вблизи преломляющего угла. Благодаря экрану в клин попадают только те световые лучи, которые, распространяясь в сторону грани проТИБ преломляющего угла, претерпевают не менее га отражений, где m -fSo 2a7csin (/п}- /2) (2) и которые при изменении угла падения света на образец от О° до 90 претерпевают ПВО только на гранях образца, образующих преломляющий угол с/, а на грань против угла о падают под углом, меньшим угла ПВО (это обеспечивает работу устройства в соответствии с положенным в его основу принципом). В связи с тем, что вещества обладают дисперсией, при измерении в ши- роком спектральном диапазоне следует рассчитывать на изменение показателя преломления в определенных пределах. Поэтому размер экрана определяется наибольшим из двух соотношений - ((, о-- S (3 .2 ,,,, .|(n,n i) Соотношение (3) получено в резул тате графического построения в клин световых лучей, удовлетворяющих (2) и определения на основе этого постр ения в зависимости от п. Соотношение (4) получено из усло вия , что в клин не попадают световы .1лучи, которые падали бы на грань пр тив преломляющего угла без отражени между гранями. По графикам зависимостей (3) и (4), приведенным на фиг..2, можно без вычисления сразу определитьч / по заданным п и Поскольку световой поток на пути к грани против преломляющего угла должен многократно отразиться, то на приемник световой сигнал может поступить только в том случае, если свет не поглотится при распространении внутри образца. Это приводит при выборе спектрального интервала измерений к необходимости соблюдения в этом интервале определенного соот ношения между коэффициентом поглощения вещества и геометрическими параметрами образца, а именно (/za()/fgpSm Для увеличения полезного сигнала в. пространство между образцом и приемником излучения вводится промежуточная среда 10 с показателем прелом ления, большим 1 и меньшим показателя преломления приемника излучения, находящаяся с ними в оптическом контакте, т.е. вместо воздушного зазо,ра (показатель преломления воздуха между образцом и приемником излучения оказывается среда с большим пока зателем преломления. Устройство работает следующим об разом. Часть образца 1, закрепленного в держателе 2, не закрытая экраном 9, освещена посредством осветительной, системы 5. Часть светового потока, попадающая внутрь образца, выходит из него через грань против преломляю щего угла, проходит через воздушный зазор (либо через промежуточную сре ду 10, находящуюся в оптическом кон такте с образцом и приемником излучения), попадает в приемник излучения б, защищенный от паразитной под светки кожухом 8. Схема регистрации 7 регистрирует зависимость тока при емника излучения от угла поворота образца, вращаемого механизмом 3. И меритель угла поворота 4 измеряет минимальный угол поворота между двумя соседними скачками фототока, которые соответствуют моментам начала и окончания ПВО светового потока от граней, образующих преломляющий угол, что и требуется для определения показателя преломления исследуемого вещества. Работа предлагаемого устройства была проверена экспериментально путем измерения показателя преломления. As S в области длин волн 0,8-1,4 мкм, где невозможны измерения посредством устройства, взятого в качестве прототипа, так как в этой области не обладает фоточувствительностью. Эффективность введения промежуточ ой среды для увеличения полезного сигнала доказана экспериментально при измерении показателя преломления As.Sj и GaAs. В случае в качестве промежуточной среды используют канадский бальзам (пср-1,5)., величина сигнала при этом возрастает в 2,7 раза. В случае GaAs в качестве промежуточной среды используют халькогенидное стекло As, (показатель преломления больше 2) величина сигнала при этом вырастает в 4,7 раза по сравнению с сигналом, зарегистрированным при наличии между GaAs и приемником излучения воздушного промежутка. . Показатель преломления промежуточной среды должен быть меньше показателя преломления материала приемника излучения для того, чтобы на их . границе не возникало ПВО. При введении промежуточной среды величина сигнала возрастает потому, что коэффициент отражения от границ образец-промежуточная среда и промежуточная среда-приемник излучения меньше, чем от границ образец-воздух и воздух-приемник излучения; предельный угол ПВО для границы образецпромежуточная среда больше, чем предельный угол ПВО для границы образец-воздух, в результате п в выражении (3) увеличивается с 2, 4 до 2,4пс,р, поэтому необходимый в соответствии с (3) размер закрываемой экраном части образца будет меньше, чем позволяет при введении промежуточной среды уменьшать размер экрана и тем самым увеличивать полезный сигнал, последнее существенно, если устройство предназначено для измерения сильно преломляющих материалов, когда определяется соотношением (3). Данное устройство позволяет расширить спектральный диапазон измерений показателя преломления в область прозрачности вещества, как правило, составляющей несколько микрометров, в то время как устройством, взятым в качестве прототипа, можно

производить измерения только в узкой области спектра, составляющей сотые доли микрометра, где исследуемый материал фоточувствителен при сравнительно слабом поглощении.

Данное устройство позволяет также расширить круг измеряемых материалов за счет нефоточувствительных, посколку в отличие от устройства, взятого в качестве прототипа, фоточувствительность материала не является обязательным условием измерений.

Введение в устройство промежуточной среды между образцом и приемником излучения позволяет увеличить полезный сигнал в несколько раз (2-5 раз) в зависимости от величины показателя, преломления образца и промежуточной среды.

. Формула изобретения

1. Устройство для определения показателя преломления, содержащее образец в виде клина с преломляющим углом, меньшим угла полного внутреннего отражения, держатель образца, механизм вращения образца вокруг оси Совпадающей по направлению с ребром преломляющего угла, измеритель угла поворота образца, осветительную сиетему, дающую пучок параллельных световых лучей, перпендикулярный оси враоцения, схему регистрации, отличающееся тем, что, с целью расширения спектрального диапазона измерений, в него введены приемник излучения и светонепроницаемый экран, причем приемник излучения расположен за гранью против преломлящего угла образца, а экраном частично закрыты две другие грани, начиная . от грани против преломляющего угла, при этом

Uf,(-.,ls,(nl.-)

Образец имеет геометрические параметtsH, связанные с коэффициентом поглощения вещества образца в соответствующем спектральном диапазоне соотношением

(/2)/ze p&inc(.

f

у - длина закрытой экраном

где

части грани образца; CPU - длина всей грани образ грца;

f) fj : заданные верхний и нижWe j mff7 НИИ, соответственно,

пределы измерения показателя преломления; с( - преломляющий угол образца;

0 постоянная, равная 2,4; К - коэффициент поглощения исследуемого вещества. 2. Устройство для определения показателя преломления по п.1, о т личающееся тем, что в устройство включена промежуточная среда с показ.ателем преломления, удовлетворяющим соотношение , 5 где п„р- показатель преломления материала приемника излучения; Пер- показатель преломления промежуточной среды,

и находящаяся в оптическом контакте 0 с образцом по грани против преломляющего угла и приемником излучения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Меланхолин Н.М. Методы исследования оптических свойств кристаллов. Наука, М., 1970, с. 98.

2.Афанасьев В.П, Оптические измерения. Геодезиздат, М,, 1961,

с. 101.

3.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2417912/18-25,

кл. G 01 N 21/46, 1976 (прототип)