Способ измерения оптических параметров фазовых пластинок и устройство для его осуществления

Способ измерения оптических параметров фазовых пластинок и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1. Способ измерения оптических параметров фазовых пластинок, состоящий в том, что через исследуемый объект пропускают модулированньй по состоянию поляризации луч, измеряют азимуты анализатора, при которых амплитуды соответственно четных и нечетных гармоник равны нулю, и по измеренньм величинам азимутов анализатора определяют параметры фазовых пластинок, о тличающий ся тем, что, с целью измерения параметров произвольным образом ориентированных фазовых пластинок, через исследуемьй объект дополнительно пропускают второй луч, модулированный по состоянию поляризации, направление азимутов осей эллипса которого повернуто на 45 относительно азимуО ) тов осей эллипса поляризации первого луча, причем после прохождения . лучей через исследуемьй объект создают в обоих лучах различные разности фаз между линейно поляризованными ортогональными составляющими, отличающиеся на 90 .

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) О t) 4(5!) G Ol N 21/00

L

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21). 3669344/24-25 (22) 27.!0.83 (46) 30.04.85. Бюл. В 16 .(72) И.А.Рокос (ЧССР) (7I) Всесоюзный научно-исследовательский институт физика-технических и радиотехнических измерений (53) 535.88(088.8) (56) 1; Горщков М.М. Элипсометрня, М., "Сов. радио", !974, с. 30.

2. Бушинский А,Н., Лейкин М.В.

Поляриметрические приборы для исследования молекулярного строения веществ. ONI, У 11, 1971, с. 55-62

{прототип}.

3, Авторское свидетельство СССР . Ф 516303, кл. G 01 Н 21/00, 1977 .(прототип), (54) .СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОИТИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ ФАЗОВЬИ 11ЛАСТИНОК И УСТ;

Р08СТВ0 ДЛЯ ЕГО ОСУП!ЕСТВЛЕНИЯ (57) I Способ измерения оптических параметров фазовых пластинок, состоящий в том, что через иссле! дуемый объект пропускают модулированный по состоянию поляризации луч, измеряют азимуты анализатора, при которых амплитуды соответственно четных и нечетных гармоник равны нулю, и по измеренным величинам азимутов анализатора определяют параметры фазовых пластинок, о тличающийся тем, что, с целью измерения параметров произвольным образом ориентированных фазовых пластинок, через исследуемый объект дополнительно пропускают второй луч, модулированный по состоянию поляризации, направление азимутов осей эллипса которого повернуто на 45 относительно азимуо тов осей эллипса поляризации первого луча, причем после прохождения лучей через исследуемый объект создают в обоих лучах различные разности фаз между линейно поляризованными ортогональными составляющими, о отличающиеся на 90

/153275

2. Устройство для измерения оптических параметров фазовых пластинок, содержащее источник излучения и расположенные по ходу излучения поляризатор, модулятор эллиптичлости, два светоделителя для полу" чения четырех расщепленных параллельных лучей и расположенное между светоделителями основание для крепления исследуемых фазовых пластин, четвертьволновую фаэовую пластинку и фотоприемник, на выходе которого подключен узкополосный усилитель, настроенный на нечетную гармонику модуляции, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью измерения параметров произвольным образом ориентированных разовых пластинок, в устройство введены циркуляр ная фазовая пластина с вращением о плоскости поляризации на угол 45 анализатор азимута, диафрагма с механизмом перемещения ее в перпендикулярной направлению излучения плоскости и узкополосный усилитель четных гармоник, при этом циркулярная фазовая пластина расположена в одном из расщепленных лучей между светоделителями перед основанием для крепления исследуемых фазовых пластин, а четвертьволновая фазовая пластина, анализатор азимута и диафрагма размещены последовательно по ходу излучения между вторым светоделителем и приемником излучения таким образом, что анализатор и диафрагма перекрывают все четыре расщепленных луча, четвертьволиовая фазовая пластина перекрывает два отраженных

) Изобретение относится к оптике и измерительной технике и предназ. начено для исследования анизотропных сред.

Известен способ измерения параметров фазовых пластинок (ФП), заключающийся в пропускании через исследуемый объект модулированного по состоянию поляризации луча, определения путем "поворота анализатора угловых величин, при которых вторым светоделителем луча, и ее ось. параллельны оптической оси модуля тора, а диафрагма в любом из четырех фиксированных положений пропускает лишь один расщепленный луч, причем узкополосный усилитель четных гармоник соединен с выходом фотоприемника.

3. Устройство по и. 2, о т л ич а ю щ е е с я тем,что каждьФ из двух светоделителей изготовлен из трех светоделительных кубиков и двух призм полного внутреннего отражения, причем к обеим выходным граням первого светоделительного кубика оптически присоединены входные грани второго и третьего светоделительных кубиков, плоскости падения всех трех светоделительных кубиков взаимно перпендикулярны, а отношение коэффициентов отражения к коэффициентам пропускания светоделительных кубиков составляет 1:3, выходная грань второго светоделительного кубика, ортогональная плоскости падения на первый кубик, оптически соединена с входной гранью первой гризмы полного внутреннего отражения, причем плоскости падения первой призмы и второго кубика взаимно параллельны, а их отражающие плоскости взаимно перпендикулярны,-выходная грань первой призмы полного внутреннего отражения оптически соединена с входной гранью второй призмы полного внутреннего отражения, причем их плоскости падения взаимно перпендикулярны, 2 амплитуды гармоник равны нулю, и определения по углу поворота анализатора параметров фазовых пластинок. Под фазовой пластинкой подразумевают любой оптически анизотропный плоскопараллельный объект (1) .

Однакр этот способ не применим, если измеряемый объект обладает одновременно линейным и циркулярным

10 двулучепреломлением и при этом необходимо заранее знать направление оптической осн исследуемого объекта.

3 ll

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ измерения оптических параметров фазовых пластинок, состоящий в том, что сквозь исследуемый объект пропускают модулированный по состоянию поляризации луч и измеряют азимуты анализатора, при которых. амплитуды соответственно четных и нечетных гармоник равны нулю и по измеренным величинам азимутов анализатора определяют параметры фазовых пластинок (2) .

Способ осуществляют устройством поляриэационного интерферометра, содержащим источник излучения и расположенные вдоль оси прибора поляризатор, модулятор эллиптичности, два светоделителя для получения четырех параллельных осей, четвертьволновую пластинку, фотоприемник, на выходе которого подключен узкополосный усилитель, настроенный на нечетную гармонику модуляции P3) .

Недостатком известных способа и устройства является то, что необходимо заранее знать направление оптической оси исследуемого объекта, причем точность измерений зависит от точности ориентации осей, а направление оптической оси часто бывает неизвестно и не всегда его возможно определить, причем в кристаллах низших сигоний направление оптических осей зависит от частоты излучения.

Цель изобретения — измерение оптических параметров произвольным образом ориентированных фазовых пластинок, Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения оптических параметров фазовых пластинок, состоящему в том, что через исследуемый объект пропускают модулированный по состоянию поляризации луч, измеряют азимуты анализатора, при которых амплитуды соответственно четных и нечетных гармоник равны нулю, и по измеренным величинам азимутов анализатора определяют параметры фазовых пластинок, через исследуемый объект дополнительно пропускают второй луч, модулированный по состоянию поляризации, направление азимутов осей эллипса

4" которого повернуто на 45 относительно азимутов осей эллипса поля53275 4

f0

$0

$$ ризации первого луча, причем после прохождения лучей через исследуемый объект создают в, обоих лучах раэлич. ные разности фаэ между линейно поляризованными ортогональными составляющими, отличающиеся на 90 о

Способ осуществляют устройством для измерения оптических параметров фазовых пластинок, содержащем источник излучения и расположенные по ходу излучения поляризатор,модулятор эллиптичности, два светоделителя для получения четырех расщепленных параллельных лучей и расположенное между светоделителями основание для крепления исследуемых фазовых пластин, четвертьволновую фаэовую пластинку и фотоприемник, на выходе которого подключен узкополосный усилитель, настроенный на нечетную гармонику модуляции. В устройство введены циркулярная фазовая пласти-. на с вращением плоскости поляризао ции на угол 45, анализатор азимута, диафрагма с механизмом перемещения ее в перпендикулярной направлению излучения плоскости и узкопокасный усилитель четных гармоник, при этом циркулярная фазовая .пластина расположена в одном иэ расщепленных лучей между светоделителями перед основанием для крепления исследуемых фазовых пластин, а четвертьволновая фазовая пластина, анализатор азимута и диафрагма размещены последовательно по ходу излучения между вторим .светоделителем и приемником излучения таким образом, что анализатор и диафрагма перекрывают все четыре расщепленных луча, четвертьволновая фаэовая пластина перекрывает два отраженных вторым светоделителем луча, ° и ее ось параллельна оптической оси модулятора, а диафрагма в любом из четырех фиксированных положений пропускает лишь один расщепленный луч, причем узкополосный усилитель четных гармоник соединен с выходом фотоприемника.

Кроме того, каждый нз двух светоделителей изготовлен из трех светоделительных кубиков и двух призм полного внутреннего отражения, причем к обеим выходным граням светоделительного кубика оптически присоединены входные грани второго и третьего светоделнтельных кубиков, плоскости падения всех трех светоделительных кубиков взаимно пер1153275

2О

3$

4$

S0

$$ пендикулярны, а отношение коэффициентов отражения к коэффициентам пропускания светоделительных кубиков составляет l 3, выходная грань второго светоделительного кубика, ортогональная плоскости падения на первый кубик, оптически соединена с входной гранью первой призмы полного внутреннего отражения, причем плоскости падения первой призмы и второго кубика взаимно параллельны, а их отражающие плоскости взаимно перпендикулярны, выкодная грань первой призмы полного внутреннего отражения оптически соединена с входной гранью второй призмы полного внутреннего отражения, причем их плоскости падения взаимно перпендикулярны.

На фиг. изображены координаты эллиптической фазовой пластинки; на фиг. 2 — сфера Пуанкаре (СП), на фиг. 3 — устройство, реализующее предлагаемый способ, на фиг. 4 светоделитель. устройство (фиг, 3 > содержит источник 1 излучения, поляризатор

2, модулятор 3 с оптической осью, о повернутой на угол 45 относительно плоскости пропускания поляризатора, светоделители 4 и 5, циркулярную фазовую пластинку 6, вращающую.плоскость поляризации на угол 45, четвертьволновую фазовую о пластинку 7 с оптической осью, параллельной оптической оси модулятора, анализатор 8, диафрагму 9 с механизмом перемещения в плоскости, перпендикулярной четырем осям прибора, образованных светоделителями, которая в любом иэ 4-х фиксированных положений открывает лишь одну ось, фотоприемник 10, узкополосные усилители ll и 12, выполняющие роль нуль-индикаторов, которые настроены соответственно на первую и вторую гармоники, место расположения исследуемого обьекта 13.

Светоделитель, в котором исключено искажение состояния поляризации (фиг. 41 содержит светоделительные кубики !4-16, и призмы 17 и 18 полного внутреннего отражения. Грани кубиков и призм, связанные лучом, соединены посредством оптического контакта !не показано).

Для адекватного представления произвольным образом ориентированной эллиптической ФП необходимо знать собственные векторы наибольшей и наименьшей скоростей и разность фаз между ними. Собственные векторы являются характеристикой материала, из которого изготовлена ФП, а также ее ориентации и задаются векторами Джонса или Стокса или координатами на СП. Разность фаз с между собственными векторами — величина, пропорциональная толщине

ФП, Оба собственных вектора ортогональны, г>оэтому на СП изображаются двумя противоположными точками диаметра P и g; в связи с чем достаточно ограничиться координатами лишь одного вектора, например наибольшей скорости P. Координаты этого вектора на СП задаются в системе оС и /) или / и8, где М вЂ” азимут большой оси эллипса; эллиптичность;

А

>! — отношение амплитуд —

A>(6 — разность фаэ между этими амплитудами.

Таким образом, эллиптическая ФП характеризуется следующими тремя величинами: »f, f> и и или II,8> и >.. Величины »>. и / .(или 1> и о ) определяют ось вращения, вокруг которой необГ\ ходимо повернуть СП на угол >,,чтобь> отобразить действие данной ФП.

Если между азимутами поляризатора и-модулятора эллиптичности (например, электрооптического кристалла) угол 45, то модуляция изображается дугой большой окружности.

Обозначим: V — вершина модуляции;

F — полюс модуляции," плоскости RVL, VFH u LFR — соответственно плоскости модуляции, симметрии и асимметрии.

Известно, что, если анализатор описывается точкой на плоскости симметрии, то амплитуды нечетных гармоник равны нулю (U< 0) а если на ! плоскости симметрии, То равны нулю амплитуды - четных гармоник (U 03 .

Если изображение анализатора на СП совпадает с полюсом, весь переменный сигнал равен нулю (U1 U О). Точки (фиг, 2),обозначенные штрихамн, образуются из соответствуя>щих точек беэ штрихов поворотом сферы вокруг диаметра RQ на угол ь . Этот поворот описывает действие ФП. Поэтому после прохождения луча с модулирован1153275 сов 25 саа/а, —. (8) соэ2Е, «45 -о/,, . (9 ) 7 ной эллиптичностью, который изображен на СП дугой вокруг Ч, сквозь произвольную ФП, гредставленную точкой Р, иэображением модулированного луча станет дуга вокруг V

5

Процесс измерения состоит в следующем.

Вращая анализатор азимута, который установлен перед фотопр /емником, (I находим точку S (т.е. азимут Ы ), 30 (г при этом U! =0, так как S лежит в плоскости симметрии. Поэтому первая задача заключается в том, чтобы найти исходную точку S, которая как и (S лежит на экваторе СП. В середине 15 !. дуги SS J/e H o K P, которая определяет искомую координату / р .

Для определения точки S необхо(/( димо найти длину дуги V S =VS. Для этого надо определить точку G (т.е. щ азимут анализатора os<(), где Uz =О.

Затем нужно повернуть азимут осей эллипса входящего модулированного излучения на 45 (например, введенио ем оптически активного элемента), 25 получаем модуляцию, изображенную дугой на окружности LFR вокруг точки Г, которая после прохождения луча сквозь ФП изображается дугой вокруг точки F, и вновь определяем азимут

l анализатора, при котором В =О, т.е. точк Т . Учитывая, что дуги Ч S +

+S F =ЧБ+ЯР=90, находим длину дуги о (V S из прямоугольных треугольников

Ч Я Т и F S O . Обозначаем Т S =

=2с1, S С =2c2, Ч S =2Ь, S F =2bZ. 35

Из сферической тригонометрии известно

4(2b, =<®2c coo(o (1)

kg2b = 4g 2с - со . (2)

Так как 2b<+2b>=V F(=90 О, то раз// делив (1) на (2), получаем

kg2ci

2Ь -ascii (3)

1ф 2с2 45

Значения с и с находим из изI меренных ввличин cq =//(,—, Мв, с е -Ы

Обозначим Z/Ф2Г, V W =2f

W(F =2 с,„V W =2 f i, F Z =FZ=rp, Имеем (20; = 2 1,. сов w, (5 )

1(2Р, = Я 2Х, сов // . (6)

Так как 2f,+27 =V F =90, то

Из сферической тригонометрии известно:

Значения f u f находим из из—

Й меренных величин f =//(, †/// f

f . Й W 2 Ф

Ч

Определяем координату о/, . х4 1

3 -FP<=FK — = РЕ+ — (FR-2 R-FZ} =

Р ь 2 2

Для измерения (,ь/,,/, иь/„/ необходимо повернуть сферу на 90 вокруг оси FO так, чтобы большая окружность LFR, вдоль которой измеряют координату 3, была отождествлена с экватором. Для этого надо о ввести разность фаз 90 между ортогональными линейно поляризованными составляющими луча после прохождения его сквозь исследуемый объект. В данном примере вводим перед анализатором четвертьволно— вую плас.тинку с оптической осью в точке F. Величины /// и 6Р позволяют определить и другие координаты (ри / 1/, используя известные соотношения сферической тригонометрии (6). Анализ полученных результатов на СП позволяет однозначно определить направление вращения. Угол и вращения с находим из прямоугольного треугольника РР S:

Определяем координату /хр, 55 50

2Мр =НР / HJ+ — -Н5 — (VH-Чб-НЬ)-"

2 2

«90 (х .-Ь, . (4)

Аналогично из прямоугольных треугольников Ч U W u F Z W определя- 5 ! ч ! ! (! ем дугу Р Е РЕ, чтобы найти точку

Pg и координату 6р =4РОРу. В этом состоит второй этап задачи.

i 2а с1, }=да а/(а а а () с/ Sin 2РР

Для наглядности приводим последовательность операций, совокупность которых составляет предлагаемый способ в виде таблицы.

На пути луча последовательно устанавливают четыре комбинации оптических элементов, которые приведены

Комбинации эле- Азимуты анализатоРа ментов .ПМ Х АФ е4. (О, О) М, (0 --0)

ПМС Х АФ вЂ” ° — <,, ((1,-0)

ПМ ХЬАФ о <(О, 0) 444,g .(11 =0)

ПМС ХЬАФ к„, (О, -0)

По измеренным значениям азимутов

0 (6 замеров ) определяют величины Ю Р, и « или f, 14 и « no слеДующим формулам:

2(s 1) Pp= apcgg(gа2ф,

2а с1 —

64п 2р4, Здесь

1 1 =- a r с ф

4 ф, — a4CCOS!

«, =- агс1ф в левой части таблицы. Здесь Пполяризатор; М модулятор эллиптичности луча;.С и L — соответственно циркулярная и линейная ФП, создающие разность фаз между ортогональными составляющими (собственными векторами) 90 ; К вЂ” исследуемый объект;

А " анализатор азимута,4 Ф вЂ” фотоприемник, В правой части таблицы приведены азимуты анализатора, при ко- 1 торых равна нулю гармоника U", обозначенная в скобке.

Азимуты анализатора определены нулевым методом, используя мультипликативную модуляцию (7), что позволяет достичь высокой пороговой чув- З0 ствительности — 10 3.

Приведенные в таблице комбинации оптических элементов не являются единственным примером осуществления предлагаемого способа. Поскольку в приведенных уравнениях имеют место отношения тригонометрических функций„ то в некоторых случаях (в зависимости от измеряемых величин) для достижения высокой точности целеао- 441 образно ориентировать аниэотропные элементы. П, М и Ь другим образом, однако обязательным условием является пропускание двух лучей (последовательно или одновременно) с различными ориентациями азимутов осей эллипсов, отличающихся

0 на 45, причем в обоих лучах после прохождения их сквозь исследуемый объект в них создают (последователь- у41 но или одновременно) две дополнительные разности фаэ между линейно поляризованными ортогональными составляющими, отличающиеся на 90О (в данном примере 0 и 90 ) . Лля того, чтобы задача сводилась к решению прямоугольных треугольнико: необходимо чтобы азимуты элементов

П и М отличались на 45О, а азимуты

М и L совпадали.

Принцип действия предлагаемого устройства очевиден иэ таблицы.

При перемещении диафрагмы открываются последовательно те оси, на которых расположены комбинации оптических элементов, приведенных в левой части таблицы, причем между обозначениями в таблице и íà фиг.3 следующее соответствие: П 2 М 3

Р т С 6 Х13 L — 7p А8, Ф 10.

При каждом иэ 4-х фиксированных положений диафрагмы измеряют два азимута анализатора ;, при которых соответственно U<=0 и И 0. Следует отметить, что при Ц 0 азимуты

Г ; в первых двух, а также в последних двух комбинациях попарно равны. По измеренным азимутам анализатора рассчитывают параметры ФП.

Изобретение позволяет измерять оптические параметры фазовых плас/ тин, обладающих одновременно линейным и циркулярным двупреломлением при произвольной, в том числе и неизвестной ориентации оси.

ll53275

ВНИИПИ Заказ 2499/37 Тираж 897 Подписное филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4