Устройство для измерения неоднородностей двулучепреломления в кристаллах Советский патент 1982 года по МПК G01N21/21 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЯ В КРИСТАЛЛАХ

Изобретение относится к измерениям в оптике и может быть использованс, например, при исследовании качества оптических элементов, изготавливаемых из кристаллов и применяемых в нелинейной оптике. Для измерения неоднородностей показателя преломления оптических элементов может быть использован интерферометр Тваймана-Грина. содержащий источник монохроматического света, поляризатор, оптическую систему из двух зеркал и полупрозрачной пластины, а также геристратор 1. Недостатками этого интерферометра являются повышенные требования, предъявляемые к качеству применяемых в нем зеркал, а также сложность конструкции, обусловленная многоэлементностью оптической системы и необходимостью защиты ее от вибраций и темп эатурных градиентов. Известно более простое по конструкции устройство, содержащее оптически связанные источник монохроматического света, поляризатор, кристаллический клин, анализатор и регистратор. Клин выполнен из кварца, являющегося оптически активным одноосным кристаллом, а оптическая ось клина параллельна одной из его рабочих граней 2. Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, обусловленная фиксированной ориентацией интерференционных полос относительно исследуемого образца. Это затрудняет обнаружение и оценку величины неоднородностей двулучепреломления. Наиболее близким к изобретению является устройство, которое содержит оптически связанные источник монохроматического света, поляризатор, кристалический клин, анализатор и регистратор. Клин выполнен из оптически неактивного одноосного кристалла, а его оптическая ось ориентирована к грани под углом, превышающим угол между гранями клина. Это позволяет вращением клина вокруг его оптической оси установить наиболее удобное для измерений положение интерференционной картины, что обеспечивает повышение точности измере.ния 3. Недостатком известного устройства является то, что с его помощью можно исследовать лишь кристаллические образцы, оптическая ось которых параллельна рабочим граням. Этот недостаток связан с расходимостью светового пучка, так как в реальных условиях сформировать нараллельньш пучок света практически невозможно. Вследствие этого различные лучи светового пучка входят в исследуемый образец под различными углами и имеют разные показатели преломления необыкновенных лучей. Это приводит к искажению интерференционной картины. Если оптическая ось параллельна рабочим граням образца, зависимость показателя преломления от направления распространения мала и незначительное искажение интерференционной картины не мешает измерению неоднородностей двулучепреломления. В случае произвольной ориентации оптической оси относительно рабочих граней исследуемого образца расходимость светового пучка приводит к такому искажению интереференционной картины, что становится невозможным измерение неоднородностей двулучепреломления.

Цель изобретения - обеспечение возможности измерения неоднородностей двулучепреломления в кристаллических образцах с произвольно ориентированной оптической осью.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее оптически связанные источник монохроматического света, поляризатор, кристаллический клин, выполненный из оптически неактивного одноосного кристалла, а также оптически связанные анализатор и регистратор, дополнительно введены плоское зеркало, светоделительная пластина и клин из изотропного материала, установленный так, что совместно с основным клином он образует плоскопараллельную пластину, за коюрой расположено зеркало, при этом анализатор помещен на пути светового пучка, отраженного от светоделительной пластины, установленной за полизятором.

На чертеже изображена оптическая схема устройства.

Устройство содержит последовательно расположенные источник 1 монохроматического света, поляризатор 2, светоделительную пластину 3, плоскопараллельную пластину 4, состоящую из кристаллического клина 5 и изотропного клина 6, плоское зеркало 7, а также анализатор 8 и экран 9 в качестве регистратора, помещенные на пути отраженного от светоделительной пластины 3 светового пучка.

Кристаллический клин 5 вьшолнен из оптически неактивного одноосного кристалла. В общем случае оптическая ось Z клина 5 ориентирована к грани под углом, превыщающим угол между гранями клина. В варианте, изображенном на чертеже, ось Z перпендикулярна рабочей грани плоскопараллёльной пластинь 4. Изотропный клин 6

выполнен из материала с показателем преломления Пи, причем , где Пе- показатель преломления для необыкновенного луча, а По - показатель преломления для обыкновенного луча в клине 5. Плоскопараллельная пластина 4 /установлена с возможностью вращения вокруг оси Z . Плоское зеркало 7 установлено перпендикулярно оси формируемого источником 1 пучка света. Исследуемыйобразец 10 помещен между светоделительной пластиной 3 и плоскопараллельной пластиной 4, причем оптическая ось Z образца лежит в плоскости колебаний клина 5 и составляет с осью светового пучка угол 0.

Устройство работает следующим образом

Источник 1 формирует монохроматический квазипараллельный пучок света, отдельные лучи которого вследствие расходимости светового пучка наклонены к его оси под различными углами d..

Проходя через поляризатор 2, пучок

света приобретает линейную поляризацию. Светоделительная пластина 3 пропускает линейнополяризованный пучок света, который далее попадает в исследуемый кристаллический образец 10. В образце 10

каждый луч пучка разлагается на два ко-, герентных луча с взаимно перпендикулярными направлениями поляризации -, обыкновенный луч с показателем преломления п и необыкновенный, показатель преломления которого Пе ( 6 -f оС ) зависит от направления распространения луча и определяется из соотношения

Ке(е + ---lo-J V п2 sin (е -ос) cos2 (в +-ot)

Vn sin2()-nZ

5 где 0 - угол между осью пучка света и оптической осью Z образца 10; П2 - главный показатель преломления

для необыкновенного луча. ,Лучи распространяются в образце 10 с различными скоростями, вследствие чего

между ними возникает разность фаз:

25 т г гг

,

ДУ 1 По

где Л - длина волны света;

5L -длина образца 10 вдоль луча

света.

Поскольку показатель преломления Пе(0+ of-) зависит от направления распространения луча, разность фаз, приобретаемая каждой парой когерентных лучей, при прохождении через образец 10 различна. Наличие неоднородностей двулучепреломления в исследуемом образце 10 приводит к дополнительному изменению разности фаз между лучами. Клин 5 обеспечивает добавочный сдвиг фаз, линейно изменяющийся по поперечному сечению пучка, а клин б, вследствие того, что п Пц п,компенсирует преломление светового пучка в клине 5. В результате пучок света после прохождения через плоскопараллельную пластину 4 не меняет своего первоначального направления, т. е. ось пучка перпендикулярна зеркалу 7. Поэтому луч, распространяющийся при прямом проходе через исследуемый образец 10 под углом (в + «А.) к оптической оси Z образца 10, при отражении от зеркала 7 распространяется в образце 10 под углом (G- о(-) к оси Z. Так как угол ot мал (формируемый источником 1 пучок света квазицараллельный) то выполняется соотношение (е.) Вследствие этого каждая пара когерентных лучей при двойном проходе через образец 10 имеет одинаковый сдвиг фаз. Светоделительная пластина 3 направляет прошедший через образец 10 световой пучок на анализатор 8, который выделяет из каждого луча компоненты с колебаниями, лежащими в плоскости его главного сечения. Эти колебания интерферируют между собой и на экране 5 наблюдается интерференционная картина, представляющая собой систему параллельных интерференционных полос с локальными изгибами. Полосы появляются вследствие сдвига фаз, вносимого клином 5, а локальные изгибы обусловлены фазовым сдвигом, возникающим из-за наличия неоднородностей двулучепреломления в образце 10. Величина изгибов зависит не только от величины неоднородностей двулучпреломления, но и от взаимной ориентации образца 10 и плоскопараллельной пластины 4. Вращением плоскопараллельной пластины 4 вокруг оси Z находят такое положение вращающейся на экране 9 системы интерференционных полос, при котором локальный изгиб полос имеет максимальную величину. Величину неоднородностей двулучепреломления определяют по формуле d А.. ° 2L b где d - величина неоднородности двулу,чепреломления; О. -величина максимального изгиба полосы; b -расстояние между полосами. Таким образом, введение в устройство плоского зеркала, клина из изотропного материала и светоделительной пластины позволяет устранить влияние расходимости пучка света и обеспечить положительный эффектисследовать кристаллические образцы с произвольно ориентированной оптической осью. К достоинствам устройства относится также увеличение чувствительности измерений за счет двойного прохода светового пучка через исследуемый образец. Формула изобретения Устройство для измерения неоднород-ностей двулучепреломления в кристаллах, содержащее оптически связанные источник монохроматического света, поляризатор, кристаллический клин, выполненный из оптически неактивного одноосного кристалла, анализатор и регистратор, отличающееся тем, что, с целью измерения неоднорол,ностей двулучепреломлеиия в кристаллических образцах с произвольно ориентированной оптической осью, в него дополнительно введены плоское зеркало, светоделительная пластина и клин из изотропного материала, установленный так, что совместно с основным клином он образует плоскопараллельную пластину, за которой расположено зеркало, при этом анализатор помещен на пути светового пучка, отраженного от светоделительной пластины, установленной за поляризатором. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Борн М., Вольф Э. Основы оптики, Д ., «Наука, 1970, с. 333-337. 2.Грум-Гржимайло С. В. Приборы и методы для оптического исследования кристаллов. М., «Наука, 1972, с. 104-106. 3.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2792086, кл. G 01 N 21/40, 1979 (прототип).

N

ч:а

о