Способ измерения показателей преломления и поглощения сред

Способ измерения показателей преломления и поглощения сред

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОЛ ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советск и к

Социалистичесиик

Республик (11.)1.00293 9 (6I ) Дополнительное к авт. свид-ву(22)Заявлено 02.02.81 (21) 3269282/18-25 с присоединением заявки М (23) Приоритет

Опубликовано 07. 0 3. 83. Бюллетень М 9

Дата опубликования описания 07.03 .83 (5t)M. Кл.

G 01 и 21/43

Гесударстееннме ке1антет

СССР нв делам нзаеретеннй н еткрытий (53) УДК 535.24 (088.8) А. И. Пеньковский, Д. Д. Хамелин, P. Т. АфЬнасецко-, т

P. Н. Бородова, М. В. Лейкин, Б. И. Молочников,, В. Н. Морозов, А. С. Мердежев и P È. Люб сцепя е йь-,; .

-«г (72) Авторы изобретения (71) Заявитель я е (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРЕЛОМЛЕНИЯ

И ПОГЛОЩЕНИЯ СРЕД

Изобретение относится к техни- ческой физике и предназначено для измерения показателей преломления и и поглощения k исследуемых поглощающих излучение сред. Оно может быть использовано в химической, пищевой, электронной и оптической промышленности, а также в других отраслях народного хозяйства, где требуется измерение оптических постоянных поглощало ющих сред.

Известен способ измерения показателей преломления и поглощения путем анализа изменения состояния поляризации светового пучка при внеш15 нем отражении.

Известный способ предусматривает измерение азимута преимущественной поляризации ф и разности фаз Ь между P u S компонентами отраженного го поляризованного света при определенном фиксированном угле паде ия причем, свет направлен со стороны плотной непоглощающей среды с показателем преломления и на поверхI ность более плотной среды с показателями преломления и и поглощения а затем по измеренным значениям и Ь, о/- с помощью уравнения эллипсометрии находят показатели преломления я и и исследуемой среды t

Однако известный способ, кроме сложной аппаратуры, требует выполнения сложных вычислений, не обеспечивает высокой точности и малопригоден для исследований жидкостей или газов.

Наиболее близким по технической сущнос-.и к изобретению является способ измерения показателей преломления и поглощения сред, основанный на контроле относительных измерений характеристик поляризации света при внутреннем отражении> заключающийся в том, что одновременно гармонически модулируют в противофазе азимут

3 1002 преимущественной поляризации и разность фаз между P и S компонентами света, регистрируют отраженный свет фотоприемником, изменяют угол падения света до значения, г >и котором в спектре сигнала фотоприемника отсутствует первая гармоника частоты модуляции,и, считая найденный угол падения критическим, вычисляют показатель преломления t 2).

Недостатком известного способа является невозможность определения с его помощью показателей поглощения сред при больших величинах погло. щения. 1S

Целью изобретения является повышение точности одновременного измерения показателей преломления и поглощения.

Укаэанная цель достигается тем, что согласно способу измерения показателей преломления и поглощения сред, основанному на контроле относительных изменений характеристик поляризации света при внутреннем отражении, заключающемуся в том, что одновременно гармонически модули руЬт в противофазе азимут преимущест" венной поляризации и разность фаэ между P u S компонентами света,,регистрируют отраженный свет фотопри" емников, изменяют угол падения света до значения, при котором в спектре сигнала фотоприемника отсутствует первая гармоника частоты модуляции,и, считая найденный угол критическим, вычисляют показатель преломления, свет при найденном угле падения модулируют только по азимуту преимущественной поляризации или только по разности фаз между Р и S компо". ю нентами,определяют абсолютное значение азимута преимущественной поляризации или разности фаэ между P и 5 компонентами с помощью компенсатора и по найденным значениям показателя преломления и азимута преимущественной поляри 43 зации или показателя преломления и разности фаэ между Р и S компонентами вычисляют коэффициент поглощения., На фиг. 1 показаны реально измеря-50 емые зависимости коэффициента отражения и азимута преимущественной поляризации tP и разности фаз между Р и

S компонентами Д от угла падения 0 для случаев ниц ожно малого кривые И

;1-3) и значительного (кривые 4-6) поглощения исследуемой среды, на .фиг. 2 - структурная схема одного из

919 4 вариантов устройства, с.помощью которого можно осуществить способ; на фиг. 3 - семейство кривых, связывающих величину поглощения k и абсолютные значения поляризационных характеристик 2 ф и Ь .

I (Реализация способа может быть осуществлена следующим образом.

Световой поток от источника света

О 7 (фиг. 2) в виде параллельного монохроматического пучка, сформированно— го коллиматором 8 и фильтром 9, проходит поляризатор 10, магнито-оптический модулятор 11 четвертьволно1 вую пластинку 12, отрицательную линзу 13 и под углом 01. направляется на плоскость соприкосновения стеклянной полусферы 14 с исследуемой средой

15. Отраженный световой поток проходит второй магнитооптический модулятор 16, магнитооптический компенсатор 17, анализатор 18 и воспринимается фотоприемником 19. Поляризатор

t0 и анализатор 18 укреплены неподвижно так, что их азимуты пропускания постоянно составляют углы соответственно +45 и -45 с плоскостью падения и отражения света, а четвертьволновая пластинка также укреплена неподвижно и ее "быстрая" ось постоянно совпадает с плоскостью. пропускания поляризатора 10. Магнито1 оптические модуляторы ll и 16 идентичны и питаются с одного источника переменного тока частоты щ) {например И=50 Гц), но в противофазе.

Магнитооптический компенсатор 17 с помощью выключателя 20 может под.ключаться к регулируемому генератору постоянного тока 21, который контролируется резистором 22 и цИфровым вольтметром 23. Фотоприемник 19 вклю-. чен в цепь следящей системы с избирательным усилителем 24, настроенным на частоту (Ю, и с реверсивным дви-. гателем 25.

При отключенной магнитооптическом компенсаторе 17 и включенных магнитооптических модуляторах 12 и 16, фотоприемник 19 воспринимает свет, изменяющийся по закону о Г

Э « — g1-сОБ И с056+1я (ми 2Мь1иьСоь19)и1ищ1), (lI где 1 — интенсивность падающего о на поляризатор 10 света;

Й - коэффициент отражения света при угле паденияс .

10029

При о = R (фиг. 1) абсолютные значения ф параметров Ф Д удовлетворяс т I l ют условию 2Ч "Ь, íî y Ô О, Ь Р О, и величины 9 и b. строго зависят от величины поглощения исследуемой срелы (фиг. 3).

Затем при угле падения света о/ на короткое время отключают двигатель 25, 5

Из выражения (1) и кривых на фиг, 1 видна. связь между фазой переменной составляющей сигнала частоты .(В фотоприемника 19 и направлением изменения угла падения света а относительно точки пересечения или точки встречи кривых зависимости 2 Ч и

Ь ото .(кривые 2 и 3 или 5 и Ь на фиг. 1), соответствующей углу падения о, и который при k = 0 равен . 16 о кр-Так, если о Го/, то 5 (2 4 и в с"сктре сигнала фотоприемника 19 будет присутствовать первая гармоника частоты N, фаза которой равна нулю. Еслио(М., то 5s2 ф и в спект- 15 ре сйгнала фотоприемника будет также присутствовать первая гармоника частоты(Ю, но фаза ее. будет отличаться на 180 В первом случае двигатель 25 будет вращаться в одну сторону (соот- 2о ветствующую увеличениюс -), а во втором случае — в противоположную сторону (соответствующую уменьшению с ) .

В основу предложенного способа по-2s ложен факт взаимной компенсации эффектов изменения поляризационных характеристик Q и Ь, вызванных увеличением поглощения k исследуемой среды в районе критического угла паде- щ ния. Исследования показали, что при любых значениях поглощения исследуемых жидкостей точка пересечения кривых зависимостей 29 и Ь. от Q (фи r. 1) соответствует 7a o y у глу падения g, 35 при котором был бы отмечен критический угол С кр, если бы эта же среда не имела поглощения.

Соответственно при любом значении показателя поглощения исследуемой среды сначала производят изменение угла падения света в направлении, соответствующем фазе переменной составляющей частоты 0) сигнала фотоприемника 19 с помощью следящей системы до момента исчезновения этой переменной составляющей в спектре фотоприемника, найденный угол падения о(считают критическим и вычисляют показатель ,,преломления.

19 d отключают и магнитооптический модулятор 11, с помощью выключателя 20 подключают магнитооптический компенсатор к регулируемому генератору постоянного тока 21, изменяют величину тока через магнитооптический компенса- тор 17 до момента повторного исчезновения первой гармоники частоты (N e спектре сигнала фотоприемника 19, который воспринимает свет, интенсивность которого изменяется по закону . )-сОЬ2.Ф СОМ+Ьэи2(Ч -Ч )

4 5 È Q4 h) где ) — величина изменения азимута преимущественной поляризации компенсатором 17.

По показаниям цифрового вольтметра

23 определяют величину тока, который прямо пропорционален измеренной величине <, =ф и с помощью семейства кривых (фиг, 3) по кривой, связывающей величину поглощения и поляризационную характеристику (ф ) для измеренного ранее показателя преломления и определяют показатель поглощения k среды.

Аналогично Ч> можно осуществлять (1 определение величины Ь.

На этом цикл измерений и и k заканчивается. Отключение двигателя 25 и одного из модуляторов производят только на короткое время измерения тока через магнитооптический компенсатор 17, соответствующий моменту компенсации Ц . С помощью запоминающего устройства цифрового вольтметра 23 информация о токе компенсации может сох раняться по желанию оператора сколь угодно долго. Все остальное время сле. дящая система устройства замкнута, магнитооптический компенсатор 17 отключен и постоянно производится отслеживание за возможными изменениями показателя преломления и среды. Та,кая последовательность действий оправдана тем, что на практике не быва- . ет изменений k с большей скоростью, чем изменения n ..

Таким образом, предложенный способ по сравнению с известным позволяет повысить точность .одновременного измерения показателей преломления и погло.:,ения.

Формула изобретения

Способ измерения показателей пре- ломления и поглощения сред, осно0

Ф Я 40 4Ю l0 7Ф A М

err. 1

7 10029 ванный на контроле относительных изменений характеристик поляризации света при внутреннем отражении, заключающийся в том, что одновременно гармонически модулируют в противофазе азимут преимущественной поляризации и разность фаз между P и 5 компонентами света., регистрируют отраженный свет фотоприемником, изменяют угол падения света до значения, при котором в спектре сигна" ла фотоприемника отсутствует первая гармоника частоты модуляции и, считая найденный угол падения критическим, вычисляют показатель преломления, отличающийся тем, что, с целью повышения точнос ти одновременного измерения показателей преломления и поглощения, свет при найденном угле падения модулируют только по азимуту преимущест19 8 венной поляэирации или только по разности фаз между Р и S компонен тами, определяют абсолютное значение азимута преимущественной поляризации или разности фаз. между P u S компонентами с помощью компенсатора и по найденным значениям показателя преломления и азимута преимущественной поляризации или показателя ïðåломления и разности фаз между P u

S компонентами вычисляют коэффициент поглощения, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Ржанов А. В., Свиташев К.К,, Семоненко А. И., Семоненко Л. В., Соколов В. К. "Основы эллипсометрии"

Новосибирск, "Наука", 1979, с. 246.

2. Авторское свидетельство СССР

Т 684409, кл. G 01 N 21/43, 1979 (прототип).

1002919

1002919

par

ФОЮ

Составитель С. Бочинский

Техред M.Ãeðãåëü Корректор H Король

Редактор Н,Лазаренко

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 1537/24 Тираж 871 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5