Способ измерения оптической фазовой анизотропии и устройство для осуществления способа

Способ измерения оптической фазовой анизотропии и устройство для осуществления способа

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

О Л И С А Н И Е У Щ88 . ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 03.01.78 (21) 256)422/18-25 с присоединением заявки— (23) Приоритет— (51)M.К. Ci 0134!04//

G 01 И 21/40

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытей (43) Опубликовано 30.03.82.,Бюллетень ¹ 12 (53) УДК 535.5(088.8) (45) Дата опубликования описания 30.03.82 (72) Автор изобретения

В. М. Ясинский

Ордена Трудового Красного Знамени институт физики АН БССР (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ФАЗОВОЙ

АНИЗОТРОПИИ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА

Изобретение относится к оптике и квантовой электронике и может найти широкое применение .для измерения линейного и кругового двулучепреломления при исследованиях физико-химических процессов на поверхности и: границе раздела различных сред и для многих других задач, которые в настоящее время решаются методами эллипсометрии.

Известен внутрирезонаторный способ измерения фазовой анизотропии, основанный на изменении параметров излучения лазера при внесении внутрь резонатора исследуемого объекта. В частности, при по- 15 мещении внутрь изотропного резонатора лазера элемента с двойным лучепреломлением, собственные частоты лазера, соответствующие собственным ортогонально поляризованным модам, изменяются. Измеряя возникшую разность частот 6v, можно определить фазовую анизотропию Л, которая связана с частотой 6v формулой

Л = С/2т 6v, где C/2L — межмодовый интервал лазера. Этот способ потенциально способен обеспечить очень высокую чувствительность. Действительно, если считать, что естественная ширина линии излучения газового лазера составляет — 0,1 кГц, то в принципе можно измерять разность частот с точностью порядка ширины линии, т. е. с точностью — 0,1 Гц, а это значит, что фазовую анизотропию можно определять с точностью до 2 10 — з рад = 4 10 — 4угл. с ( ( — = 150 мГц

2Ь

Однако реально достичь такой точности весьма сложно из-за эффектов взаимодействия мод, нестабильности частоты и т. д.

Данный способ реализуется при помощи устройства, состоящего из измерительного лазера, в резонатор которого внесена измеряемая пластинка и эталонная фазовая пластинка. Действующая установка такого типа обеспечивает в настоящее время точность — 10 — рад =- 20 угл. с.

Основными недостатками внутрирезонаторного метода являются очень высокие требования к оптическому качеству образца и величине поглощения в нем. Это очень сильно ограничивает область применения этого метода. Кроме того, следует отметить сложность и неудобство работы, связанной с тщательной, занимающей много времени юстировкой резонатора лазера всякий раз, когда внутрь резонатора помещается новый образец.

749)88

Наиболее .близким техническим решением является способ измерения оптической фазовой анизотропии, заключающийся в облучении объекта монохроматическим поляризованным светом и измерении параметров прошедшего через объект излучения, а также устройство для осуществления этого способа, содержащее источник излучения, поляризаторы, фотоприемник и регистрирующее устройство.

Однако данному способу и устройству присущи такие недостатки, как сложность процесса измерения фазовой анизотропии при недостаточно высбкой чувствительности.

Цель изобретения — упрощение процесса измерения фазовой анизотропии при повышенной чувствительности.

Это достигается благодаря тому, что монохроматическое оптическое излучение двух длин волн с частотами v, v: и, соответственно, ортогональными поляризация"ми, разделяют на два пучка без изменения поляризации и направляют по двум иана.лам, в одном из кОторых установлен исследуемый объект, оптическое излучение на выходе каждого канала преобразуют в электрические сигналы и определяют разность фаз меям у двумя электрическими сигналами разностной частоты hv = vt — vq, зыделяемыми на выходе каждого кана-.а.

При этом для измерения линейной фазовой анизотропии монохроматическое опти ческое излучение двух длин волн поляризуют линейно взаимно ортогонально, а для измерения круговой фазовой анизотропии— поляризуют циркулярно взаимно ортогонально. Устройство для осуществления способа измерения линейной фазовой оптической анизотропии содержит двухчастотный лазер с линейными ортогональными поляризациями волн, пластинку Х/4, расположенную на оптической. оси так, что ее ось совпадает с плоскостью одной из линейных ортогональных поляризаций, полупрозрачное делительное зеркало, фотоприемник в дополнительном канале и установленный перед ним один из поляризаторов, а также электронный фазометр в качестве регистрирующего устройства. Для измерения круговой фазовой поляризации устройство содержит пластинку Х/4, повернутую на 45 относительно плоскостей линейных ортотональных поляризаций вокруг оптической оси.

На чертеже представлена схема устройства для осуществления способа.

Устройство состоит из лазера 1, пластинки Х/4 2, делителя 3 луча на два канала, объекта 4, помещаемого на пути луча в одном из каналов, поляризаторов 5, фотоприемников 6, регистрирующего устройства (электронный фазометр) 7, оПТйчески связанных между собой.

При измерении линейной фазовой анизотропии излучение лазера 1, содержащее две монохроматические волны с разными частотами vt, v> и соответственно линейными ортогональными поляризациями, грошедшее через пластинку Х/4 2, ориентированную так, что ее оси совпадают с направлениями ортогональных линейных голяризаций, разделяют с помощью делителя 3 без изменения поляризации на два пучка, один из которых направляют на исслелуемый объект 4, затем с помощью поляризаторов 5, ориейтированных так, чтобы онй пропускали одинаковые по величине компоненты ортогональных волн и фотоприемников 6, выделяют электрический сигнал разностной частоты Av = v — v в опорном и измерительном каналах и измеряют разность фраз между Hpìè с помощью электрон20 ного фазометр а 7. Измеренная разность фаз несет информацию о фазовой анизотропии объекта 4. При измерении круговой фазовой анизотропии пластинку Х/4 2 разворачивают на 45 по отношению к направ25 лениям линейных ортогональных поляризаций вокруг оптической оси для получения ортогональных круговых поляризаций.

Наличие двух каналов опорного и измерительного позволяет легко осуществ30 лять калибровку устройства путем измерения разности фаз без исследуемого объекта.

Фаза сигнала разностной частоты содержит два члена

2 l 2-„/

cp = — v, (zc,— и,)+ -, Av ne, 40

60 б5 первый из которых равен искомой фазовой анизотропии, а второй возникает из-за разности частот Л и вносит систематическую ошибку. Эта ошибка может быть весьма

zc малой если

Av Ли где Ли= и — и

О 8r так как v — это оптичесиая частота — 10 4Гц, а Av можно выбрать — 10З Гц. п

С другой стороны, когда — и

Ли становятся сравнимы, ее можно легко исключить путем коммутации знака разностной частоты.

Осуществляют экспериментальную проверку способа. В качестве источника излучения используется изотропный лазер в продольном магнитном поле с длиной волHbI Х = 1,15и,. Зеемановское расщепление частот круговых ортогонально поляризованных компонент составляет — 600 кГц.

На пути луча помещается пластинка Х/4 для получения линейных ортогональных поляризаций. В качестве объекта измерения используется пластинка из кристаллического кварца, вырезанная параллельно оптической оси. Сигналы с фотоприемни749188 ков после усиления подаются на двухлучевой осциллограф. При наклонах пластинки наблюдается фазовый сдвиг одного сигнала разностной частоты относительно другого. Сигналы также годаются соответственно на Х и У входы осциллографа и наблюдаются фазовые сдвиги по фигурам

Лиссажу.

Таким образом, предварительная качественная проверка метода показывает его принципиальную работоспособность, Оценки чувствительности данного способа дают значения минимально обнаружимого изменения фазы в некоторой конкретной ситуации — 2,10 —" рад = 4 10 4 угл. с, Таким образом, данный способ потенциально сочетает в себе достоинства внутрирезонаторного метода — высокую чувствительность — 2. 10 — рад = 4 10 — угл. с с,достоинствами эллипсометрического: возможностью работы с объектами различной физической природы в разных агрегатных состояниях. Кроме того, он достаточно прост и свободен от недостатков, присущих обоим методам, На его основе возможно создание достаточно простых, высокочувствительных приборов для измерейия фазовой анизотропии, которые найдут широкое применение в тех областях науки и техники, где в настоящее время применяются эллипсометры.

Формула изобретения

1. Способ измерения оптической фазовой анизотропии, заключающийся в облучении объекта монохроматическим поляризованным светом и измерении параметров прошедшего через объект излучения, отл ич а ющ ий с я тем, что, с целью упрощения процесса измерения при повышенной чувствительности, монохроматическое оптическое излучение двух длин волн с частотами v> и v> и„. соответственно, ортогональными поляризациями, разделяют на

5 два пучка без изменения поляризации и направляют по двум каналам, в одном из которых установлен исследуемый объект, оптическое излучение на выходе каждого канала, преобразуют в электрические сигналы и определяют разность фаз между двумя электрическими сигналами разностной частоты Av = v — ч, выделяемыми на выходе каждого канала, 2. Способ по п. 1, отл и чурающийся тем, что, с целью измерения линейной фазовой анизотропии, монохроматическое излучение двух длин волн поляризуют линейно взаимно ортогонально.

3. Способ по п. 1, отличающи йся

20 тем, что, с целью измерения круговой фазовой анизотропии, монохроматическое излучение двух длин волн поляризуют циркулярно взаимно ортогонально.

4. Устройство для реализации способа

25 по и. 1 и 2, содержащее источник излучеHHil, поляризаторы, фотоприемник и регистрирующее устройство, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно содержит двузчастотный лазер с линейными ортогональными поляризациями

ЗО волн, пластинку Х/4, расположеннуюнаоптической оси так, что ее ось совпадает с плоскостью одной из линейных ортогональных поляризаций, полупрозрачное делительное зеркало, фотоприемник в дополнительном канале и установленный перед ним один из поляризаторов, а также электронный фазометр в качестве регистрирующего устройства.

5. Устройство по пп. 1 и 3, отл и ч аю4п щ е е с я тем, что оно содержит пластинку

Х/4, повернутую на 45 относительно плоскостей линейных ортогональных поляризаций вокруг оптической оси.

749188

Составитель 3. Ляшенко

Техред И. Пенчко

Корректор И. Осиновская

Редактор П. Горькова

Заказ 255/165 Изд. № 121 Тираж 883 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Тип. Харьк. фил. пред. «Патент»