Рефрактометр поляризационный

Рефрактометр поляризационный

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

РЕФРАКТОМЕТР ПОЛЯРИЗАЦИОНРШЙ , содержащий установленные последовательно неподвижное плечо, в котором установлен источник света и расположенные по ходу светового пучка фор1«1рователь коллимированного аучка света, разделитель пзгчков света, оптически связанный с фотоприемником , выход которого соединен с избирательным усилителем, иоляризационйый фильтр, механически связанный с двигателем, магнитооптический модулятор, подключенный к сети переменного тока частоты oj , предметный столик с углоизмерительным устройством, которое через привод соединено с реверсивным двигателем , центры вращения которых совпадают с плоскостью раздела известной и исследуемой сред объекта, и подвижное плечо, в котором установлено зеркало, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения измерений , в устройство дополнительно введены электрооптический модулятор разности фаз, подключенный к источнику переменного напряжения частоты ft tj и установленный между маг (Л нитооптическим модулятором и предметным столиком так, что его наведенные оси совпадают соответственно с плоскостями падения и раздела сред, и дополнительный избирательный усилитель , соединенный с фотоприемником и настроенный на частоту Л , к выходу которого подключен реверсивный двигатель привода углоизмерительного устройства.

СОЮЭ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУ БЛИН

<И> (11>

4(5й) С 01 N 21/41

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОЫ ЕТЕНИй И ОТНРЬЮИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ н aBTOPCNOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ggp+pvyrpw a (21) 3690094/24-25 (22) 09.01.84 (46) 15.05.85. Бюл. У 18 (72) А.И. Пеньковский и P.Ò .Àôàíàñåíко (53) 535. 24 (088.8) (56) 1. Молочников Б.И. и др.Рефрактометры для определения оптических постоянных сред. Обзорная информация

ЦНИИТЭИприборостроения, ТС-4, вып.3, 1979, c. .24.

2. Lluesma Е.G. Ре1а С,А. and

Мйпипэ1э I.À. А пееп automatic

ellipaometer, 56, 1976, р. 189-195. (54)(57) РЕФРАКТОМЕТР ПОЛЯРИЗАЦИОННЫИ, содержащий установленные последовательно неподвижное плечо, в котором установлен источник света и расположенные по ходу светового пучка формирователь коллимированного пучка света, разделитель пучков света, оптически связанный с фотоприемником, выход которого соединен с избирательным усилителем, ноляризационный фильтр, механически связанный с двигателем, магнитооптический модулятор, подключенный к сети переменного тока частоты cd предметный столик с углоиэмерительным устройством, которое через привод соединено с реверсивным двигателем, центры вращения которых совпадают с плоскостью раздела известной и исследуемой сред объекта, и подвижное плечо, в котором установлено зеркало, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения измерений, в устройство дополнительно введены электрооптический модулятор разности фаз, подключенный к источнику переменного напряжения частоты A =u3 и установленный между магнитооптическим модулятором и предметным столиком так, что его наведенные оси совпадают соответственно с плоскостями падения и раздела сред, и дополнительный избирательный усилитель, соединенный с фотоприемником и настроенный на частоту,й, к выхо.— ду которого подключен реверсивный двигатель привода углоизмерительного устройства.

5921 г

= htc4} h + я, гле И и X — относительные показатели преломления и поглощения. При двухкратном отражении поляризованного света от границы раздела известной и нсслел дуемой сред под углами падения с =а(}л независимо от относительных показателей преломления 11 и поглощениями. происходит изменение разности фаз о

10 на величину о = 180, а изменение азимута восстановленной линейной поляризации зависит от величины М л т.е. при,k = а(,„и двухкратном отражении граница раздела сред работает

15 как ротатор и фазовая полволновая пластинка, преобразующая линейную поляризацию в ортогональную ей.

Кроме того, принцип работы известного устройства основан также на эффекте достижения наименьшего значения Р-компоненты отраженного поляризационного света при угле

Л падения « = с(,„, 1 1i 5

Изобретение относится к оптикомеханическим приборам и может быть использовано для измерений показателей преломления и поглощения полупроводников, металлов и других поглощающих свет сред, которые нельзя исследовать с помощью известных рефрактометров.

Известен поляризационный рефрактометр, содержащий источник излучения, поляризатор, модулятор, измерительный элемент полного внутренне" го отражений и анализатор, связанный обратной связью с фотоэлектрической частью прибора. Поворот анализатора характеризует величину разности фаз, а следовательно, и измеряемое значение показателя преломления } 1}.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является рефрактометр поляризацио }ный„ содержащий установленные последовательно неподвижное плечо, в котором установлен источник света и расположенные по ходу светового пучка формирователь коллимированного пучка света, разделитель пучков света, оптически связанный с фотоприемником, выход которого соединен с избирательным усилителем, поляризационный фильтр, механически связанный с двигателем, магнитооптический модулятор, подключенный к сети .переменного тока сД, предметный столйк с углоизмерительным устройством, которое через привод соединено с реверсивным двигателем, центры вращения которых совпадают с плоскостью раздела известной и исследуемой сред объекта, и подвижное плечо, в котором установлено зеркало, причем так, что его отражающая поверхность

4 перпендикулярна направлению распространения отраженного пучка.

Диагональным элементом параллелограмма служит микрометренный винт с гайкой, которая с помощью шарниров соединена с плечами параллелограмма. Микрометренный винт соединен с двигателем постоянного тока, который управляется усилителем мощности, подключенным к устройству дифференцирования сигнала фотоприемника.

Принцип работы известного устройства основан на эффектах измерения азимута восстановленной линейной поляризации Ч и разности фаз 8 в л районе главного угла падения Ад =

Для измерений показателей преломления и поглощения-сред с помощью известного устройства требуется первоначально установить поляризационный фильтр так, чтобы его плоскость пропускания совпадала с плоскостью падения света. Затем устанавливают угол радения заведомо меньшим ожидаемого значения } („ и запускают двигатель, связанный с параллелограммом. В процессе плав" ного изменения угла падения }} производят дифференцирование электрического сигнала фотоприемника. При достижении минимального значения дважды отраженного от границы раздела сред света на выходе дифференцирующего устройства будет нулевое значение сигнала и двигатель привода параллелограмма останавливается.

Значение угла падения cC., который принимают за главный угол q(, счил тывают с углоизмерительного устройства, Затем запускают двигатель, связанный с приводом поляризационного фильтра, и одновременно подключают магнитооптический модулятор к генератору переменного тока. В момент отсутствия в спектре сигнала фотоприемника первой гармоники частоты возбуждения модулятора двигатель останавливается и по угломерному устройству привода поляризационного фильтра определяют значе55921 з

11 ни» азимута восстановленной линейной поляризации.

По изи еренным таким образом л значениям е(л и 1 с помощью известных формул Аргера вычисляют искомые вещественные составляющие Н. и g комплексного показателя преломления и = и- i pt 12) .

Недостатки этого устройства— низкая точность и сложная методика измерений, требующая значительной затраты времени. Причиной тому является низкая точность определения главного угла падения по минимальному значению интенсивности р-компоненты отраженного света.

Цель изобретения — повыщение точности и упрощение измерений показателей преломления и поглощения поглощающих сред.

Цель достигается тем, что в рефрактометр поляризационный, содержащий установленные последовательно неподвижное плечо, в котором установлен источник света и расположенные по ходу светового пучка формирователь коллимированного монохроматического пучка света, разделитель пучков света, оптически связанный с фотоприемником, выход которого соединен с измерительным усилителем, поляризационный фильтр, механически связанный с двигателем, магнитооптический модулятор, подключенный к сети переменного тока частоты из, предметный столик с углоизмерительным устройством, которое через привод соединено с реверсивным двигателем, центры вращения которых совпадают с плоскостью раздела известной и исследуемой сред объекта, и подвижное плечо, в котором установлено зеркало, дополнительно введены электрооптический модулятор разности фаз, подключенный к источнику переменного напряжения частоты A=u3 и установленный между магнитооптическим модулятором и предметным столиком так, что его наведенные оси совпадают соответственно с плоскостями падения и раздела сред, и дополнительный избирательный усилитель, соединенный с фотоприемни-, ком и настроенный на частоту Й, к выходу которого подключен реверсивный двигатель привода углоиэмерительного устройства.

В предлагаемом устройстве компенсация разности фаз 8 производится.:в результате двухкратного отражения поляризованного света, а

5 компенсация изменения азимута восстановленной линейной поляризации производится поворотом поляризационного фильтра. Наличие модулятора разности фаэ с указанными связями дает возможность получить положительный эффект, а именно использовать фазовый признак определения л главного угла падения c(qq, что увеличивает точность установки угла л падения ñÑ= с 1л в десятки .раз, что позволяет точнее измерять показатели преломления и поглощения сред.

В предлагаемом устройстве электрооптический модулятор работает на частоте возбуждения Я отличной от частоты возбуждения азимутального магнитооптического модулятора и является составной неотьемлемой частью следящей системы поиска и и установки главного угла падения с(,л

Наличие дополнительного модулятора разности фаз и дополнительной следящей системы с усилителем и двигателем позволяет одновременно и непрерывно вести поиск главного

A угла падения c(„ и компенсацию изменений азимута ф, что упрощает и ускоряет процесс измерений.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого устройства, 35 на фиг. 2 — пример изменения интенсивности света, коэффициентов отражения Р и К компонентов све5 та, разности фаз О и азимута восстановленной линейной поляризации Ч

40 в зависимости от угла падения А при однократном отражении от грани! ты раздела воздух-алюминий.

Рефрактометр поляризационный содержит неподвижное и подвижное плечи. В неподв1окном плече установлены источник 1 света, формирователь коллимированного монохроматического пучка света, состоящий из линз 2 и

3, между которыми установлен интерференционный фильтр ч, диафрагмы 5 и коллиматора 6, разделитель 7 пучков света, например, в виде делительного кубика, поляризационный фильтр 8, укрепленный на лимбе 9, магнитооптический модулятор 1О, подключенный к источнику переменного тока частоты м), например к сети, 115592! б электрооптический модулятор 11 разности фаз, подключенный к источнику 12 переменного напряжения часто-„ ты Л -"и) . В подвижном плече установлено зеркало 13 так, что его отра- 5 жающая поверхность постоянно перпендикулярна направлению распространения отраженного пучка света, Между элементами неподвижного и подвижного плеч установлен предметный 10 столик 14 для закрепления исследуемого объекта 15 и углоизмерительное устройство 16. Центры вращения предметного столика 14 с исследуемым объектам 15 и углоизмеритель- 13 ного устройства 16 совпадают с плос- костью раздела известной (например воздух) среды и исследуемого объекта 15.

Неподвижное и подвижное плечи 26 рефрактометра соединены между собой штангами 17 параллелограмма, диагональю которого является подвижный микрометренный винт 18, связанный с электродвигателем 19 с по- И мощью редуктора 20. На выходе разделителя 7 пучков света на пути отраженного пучка установлен фотоприемник 21. К фотоприемнику 21 подключены избирательные усилители 22 рр и 23. Усилитель 22 настроен на частоту <) возбуждения модулятора.

10 и подключен к обмотке управления реверсивного двигателя 24, который механически связан с лимбам

9, а усилитель 23 настроен на частоту Й возбуждения модулятора 11 и подключен к обмотке реверсивного двигателя 19. Модулятор 11 разности фаз закреплен так, что его наведенные электрическим полем оси совпадают соответственно с плоскостями падения и раздела известной среды и исследуемого объекта 15. Иикрометрический винт 18 жестко связан с поворотным столиком 14 и с углоизмерительным устройством 16, Винт

18, редуктор 20 и двигатель 19 составляют привод углоизмерительног0 устройства, измеряющего угол паде-. ния света на границу раздела известной среды и исследуемого объекта 15.

Рефрактометр поляризационныи работает следующим образом. 55

Сформированный элементами 1-б оптики коллимированный монохроматический пучок света проходит разделитель 7 пучков света, поляризационный фильтр 8 и становится линейно поляризованным, азимут плоскости поляризации которого зависит ат угла поворота 8 лимба 9 совместно с поляризационным фильтром 8. Далее свет проходит магнитооптический модулятор 10, электроаптический модулятор 11 и под углом о(. падает на границу раздела известной (воздух) среды и исследуемого объекта 15 °

Отраженный пучок света падает на зеркало 13, возвращается обратно и под таким же углом сС снова падает на границу раздела сред. После вторичного отражения свет еще раз проходит электрооптический модулятор 11, магнитооптический модулятор 10, поляризацнонный фильтр 8 и, отразившись от полупрозрачного слоя разделителя 7 пучков света, падает на фотоприемник 21. Если угол падения .о Ф О, то вследствии различий коэффициентов отражения Кр и К после каждого отражения от ис$ следуемого объекта 15 состояние поляризации изменяется (фиг. 2).

Причем, при.любых значениях И и Ж можно найти такой угол падениями(,=с(,„ (фиг 2), при котором после однократного отражения разность фаз между Р и 5 компонентами точно равна 90, а зависимость азимута восстановленной линейной поляризации от угла падения о{ имеет экстремальное значение, т.е. Ф = Мм в.

Следовательно, при о(.=" (и двухкратном отражении падающий линейно поляризованный свет претерпевает изменения как по азимуту на величину 9 =2(+ — Ч ), так и по разности фаз на величину 8 = !80 и становится снова линейно поляризованным, причем его.плоскость поляризации будет ортогональна по отношению к плоскости поляризации исходного пучка (до падения на грани цу раздела сред), если плоскость поляризации фильтра 8 составляет угол @ = — (Ч „- ф ) по отношению к н1 левому (исходному) положению (+o = .450) относительно плоскости падения, т.е. если скомпенсирован эффект поворота плоскости поляризации, вызванный разницей между коэффициентами отражения р и Я5

В этом случае фотоприемник 2! будет воспринимать минимальный световой поток.

i 15592 i

Кроме того, состояние поляризации падающего.и отраженного света цополнительно изменяется по гармоническому закону на небольшую величину с помощью модуляторов 10 и t1. Под воздействием изменяющегося с частотой и3 магнитного поля на активное вещество (стекло) модулятора 10 падающий линейно поляризованный свет модулируется по азимуту с коэффициентом модуляции О, 1.

Под воздействием изменяющегося с частотой Й =) переменного продольного электрического поля одноосный кристалл модулятора 11 становится двухосным. В процессе прохождения света через модулятор 11 поляризованный свет модулируется по разности фаз с коэффициентом модуляции меньшим О, 1.

Следовательно, после двухкратного л отражения под углом k= oc, и двухкратного прохождения через модуляторы свет снова становится линейно поляризованным и промодулированным как по азимуту с частотой <), так и по фазе с частотой Я . После вторичного прохождения поляризационного фильтра 8 световой поток минимален и содержит небольшие переменные составляющие вторых гармоник частот модуляции 2с) и 2 Л..

В этом случае электрические сигналы фотоприемника в виде переменных составляющих частот 2 ) и 2 Q не воспринимаются избирательными усилителями 22 и 23 и двигатели 24 и 19 находятся в состоянии покоя.

Если угол падения не равен главл ному углу, например o(> < òî согласно фиг. 2 8(90, а Ч фч„, „. Тогда после двухкратного отражения свет будет эллиптически поляризованным.

В этом случае свет не погашается поляриэационным фильтром с прежней ориентацией плоскости пропускания, а в спектре сигнала фотоприемника

21 присутствуют переменные составляющие первых гармоник частот модуляции и) и Й, фазы которых зависят от направления отклонения от точки 3. Переменная составляющая сигнала частоты ) усиливается избирательным усилителем 22 и подается на обмотку управления

Ь двигателя 24, который вращает поляризационный фильтр 8 в направлении, соответствующем фазе переменной составляющей до момента исчезновения в спектре сигнала фотоприемника первой гармоники частоты о3.

Переменная составляющая сигнала частоты Й усиливается избирательным усилителем 23 и подается на обмотку управления двигателя 19, который через редуктор 20 вращает микрометрический винт 18 и изме10 няет угол падения в данном случае в сторону уменьшения до тех пор, пока двухкратно отраженный свет становится линейно поляризованным, т.е. когда в спектре сигнала фото15 приемника исчезает переменная составляющая частоты Л..

Таким образом, при любых зна-. чениях показателей преломления И и поглощения Я сред слeäÿùèå систеуО мы с двигателями 19 и 24 автоматически устанавливают угол падения Ф

= c(, и азимут поляризационного фильтра 8 в положение 8 = — (Ч „- Ч ) о (45 -Ч ) . Значение угла падел д ния г,„ измеряется углоизмерительным устройством 16 а значение азимута Ч = 45 — 9 определяется с помощью лимба 9. Значение искомых показателей И и поглощения /

3О определяют с помощью, например калькулятора, мини ЭВМ или встроенного микропроцессора по известным формулам Арчера ипи при И >) 1 по упрощенным формулам

3S И = 5 г о в < л Co ? Ч ; . л

X=5inKzg 1.г1,Z

Предлагаемое устройство имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с известными устройствами.

Основные из них следующие. Во-первых, благодаря наличию модулятора 11 разности фаз (фиг. 1) основным признаком правильной установки угл ла падения c(=- o(Ä в предлагаемом устройстве является точное значение разности фаз & = 180 . Кривая

SO зависимость разности фаз Я от угла падения о(в окрестностях сГ.

zn имеет большую крутизну (с учетом двухкратного отражения с/б/с4 > 1О), -В то же время основным признаком

55 установки главного угла падения Ж, л в известных устройствах является минимальное значение коэффициента отражения Р, кривая зависимости которого от угла падения ц(в ок1155921 л рестности о(. „ чмеет ничтожно малую кру изну (d R1 td< 0) . Поэтому наличие дополнительного модулятора разности фах в предлагаемом устройстве увеличивает чувствительность прибора в десятки раз при поиске главного угла падения с что приводит к увеличению точности измерений показателей преломления и поглощения исследуемых сред.

Во-вторых, наличие в предлагаемом устройстве модулятора разности фаз, возбуждаемого частотой Q.>+, наличие дополнительной следящей системы с усилитегй.м 23, настроенным на частоту, и с двигателем 19 позволяет одновременно и непрерывно вести поиск как главного угла падеи ния с(.»„, так и производить компенсацию изменений азимута Ч с помощью поляризационного фильтра 8.

Это значитепьно упрощает процесс измерений по сравнению с известными

5 устройствами, которые требует поэтап ных измерений сначала главного угла падения, а затем угла поворота поляризационного фильтра при компенсации изменений азимута.Ч

Предлагаемый рефрактометр поляризационный может использоваться для исследований любых поглощающих сред, особенно для экспрессного контроля полупроводников, металлов, минералов и т.д. Применение рефрактометра на производстве повьппает про изводительность труда и качество контролируемой с помощью предлагаемого устройства продукции.

1155921

ggо ур ду g+o а г т

Фиг. Г

Заказ 3131/38 Тираж 897

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

333035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное филиал .ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель С. Голубев

Редактор И. Касарда Техред М. Надь Корректор В. Бутяга