Способ измерения показателя преломления среды

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СРЕДЫ, включающий линейную поляризацию светового потока, пропускание его через исследуемую среду, определение состояния поляризации светового потока после прохождения через нее и определение показателя преломления среды, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, линейную поляризацию светового потока осуществляют на выходе из исследуемой среды, после чего преобразуют состояние поляризации светового потока в эллиптическое путем пропускания через двупреломляющий кристаллооптический элемент, определяют разность фаз эллиптической поляризации и по ее изменению в зависимости от угла отклонения светового потока на выходе из исследуемой среды определяют ее показатель преломления. со со о

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) э(11 G 01 N 21/4!

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

13 .

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3511462/18-25 (22) 12.11.82 .(46) 23.07.84. Бюл. № 27 (72) Б. И. Молочников, М. В. Лейкин и Ф. Ф. Закиров (53) 585.24 (088.8) (56) 1. Молочников Б. И. Методы измерения показателя преломления сред. — «Измерение, контроль, автоматизация», 1980, № 7 — 8, с. 3 — 13.

2. Патент США № 379740, кл. G 01 N 21/41, 1974. (54) (57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СРЕДЫ, включающий линейную поляризацию светового потока, пропускание его через исследуемую среду, определение состояния поляризации светового потока после прохождения через нее и определение показателя преломления среды, отличающийся тем. что, с целью повышения точности, линейную поляризацию светового потока осуществляют на выходе из исследуемой среды, после чего преобразуют состояние поляризации светового потока в эллиптическое путем пропускания через двупреломляющий кристаллооптический элемент, определяют разность фаз эллиптической поляризации и по ее изменению в зависимости от угла отклонения светового потока на выходе из исследуемой среды определяют ее показатель преломления.

1104399

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и предназначенодля измерения показателя преломления в первую очередь твердых прозрачных сред (оптических стекол).

Известен дифференциальный гониометри ческий способ измерения показателя преломления сред, в котором коллимированный пучок света направляется на оптическую систему, состояшую из двух или более призм, выполненных из образцового и исследуемого материалов, имеющих достаточно близкие показатели преломления (дп410 ).

Поэтому угол отклонения коллимированного пучка системой призм (или разность углов отклонения) не превышает 10 — 20 . Такой угол возможно измерить с погрешностью р У порядка 0,3 — 0,4, что соответствует погрешности бдп (3 — 4) х10 (1).

Недостатком его является невысокая точность измерений.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является способ измерения показателя преломления среды, включающий линейную поляризацию светового потока, пропускание его через исследуемую среду и определение состояния поляризации светового потока.

После прохождения через исследуемую среду световой поток испытывает поступательное или угловое смещение, величина которо о зависит от показателя преломления среды. Используя линейно поляризованный луч, его подвергают оптическому вращению на угол, зависящий от величины смешения. Оптическое вращение измеряется поляризатором, по выходному сигналу которого определяют показател ь преломления (2).

Недостатком известного способа является невысокая точность измерений, обусловленная тем, что при наклоне пучка относительно оптической оси клинообразного датчика линейных перемещений имеет место не только вращение плоскости поляризации, зависящее от координаты сечения клина, но и эллиптичность световой волны. Это приводит к весьма существенным погрешностям.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения показателя преломления среды, включающему линейную поляризацию светового потока, пропускание его через исследуемую среду. и определение состояния поляризации светового потока после прохождения через нее и определение показателя преломления среды, линейную поляризацию светового потока осуществляют на выходе из исследуемой среды, после чего преобр азуют состояние поляризации светового потока в эллиптическое путем пропускания через двупреломляю10

55 щий кристаллоптический элемент, определяют разность фаз эллиптической поляризации и по ее изменению в зависимости от угла отклонения светового потока на выходе из исследуемой среды определяют ее показатель преломления.

На фиг. 1 показано возникновение интер фере нцион ного эффекта в кристаллооптическом элементе; на фиг. 2 — принципиальная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Физическая основа изобретения состоит в масштабном преобразовании с помощью кристаллооптического элемента малых угловых отклонений света из-за наличия An в значительное изменение состояния его поляризации (разности фаз эллиптической поляризаци и)

На фиг. 1 показан простейший тип кристаллооптического элемента в виде плоскопараллельной пластины, вырезанной под углом к оптической оси кристалла.

Нормально падающий на пластину широкий пучок линейно поляризованного света А — А разлагается в кристаллооптическом элементе на два когерентных пучка, поляризованных в ортогональных плоскостях и сдвинутых в поперечном направлении на величину d, зависящую от толщины пластины, ее двупреломления и угла между осью кристалла и нормалью к поверхности.

Если диаметр исходного пучка D превышает d, то прошедшие кристалл обыкновенный и необыкновенный пучки частично переналожены. B области переналожения пучки интерферируют, результатом чего является эллиптически поляризованная световая волна с некоторой начальной разностью фаз тр (в некоторых более сложных конструкциях кристаллооптического элемента фр может быть равна нулю).

При наклоне пучка А-А относительно кристалла на малый угол д (положение А1А" ) разность фаз прошедшего эллиптччески поляризованного света изменяется на величину д,= — ã Ы8;=к 81, где — сдвиг пучков;

1 — длина волны света.

Постоянная К = — — — - d является коэф2У б

it фициентом преобразования углового отклонения пучка в разность фаз. Величина К в зависимости от выбранного d легко достигает значений 10 — 10 . Поэтому очевидно, что малые угловые отклонения света о 1 перед кристаллом трансформируются в значительные изменения разности фаз 6 . Таким образом, сравнительно грубо измеряя разность фаз, возможно очень точное измерение угловых отклонений.

Способ реализуется следующим образом.

Угловое отклонение пучка преобразуется в ту или иную эллиптичность световой

1104399

Составитель С. Гол бои

Техред И. Верес Kоррекгор А. Ильин

Тираж 823 По тписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий ! 13035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Редактор А. Шандор

Заказ 5025!30 волны, разность фаз ортогональных компонент которой связана с величиной угловог отклонения. Это преобразование производится с помощью двупреломляющего плоскопараллельного кристаллооптического элемента, вырезанного под углом к оптической оси. При прохождении пучка через такой элемент он раздваивается в пространстве и переналагается, т. е. имеет место интерференционный эффект. Величина эллиптичности не зависит от координаты прохождения пучка через кристаллоптический элемент, т. е. постоянна по зрачку.

Устройство, реализую1цее предлагаемый способ, работает следующим образом.

Коллимированный пучок неполяризованного света, пройдя диафрагму 1 с двумя круглыми отверстиями и двумя пучками направляется на образцовую 2 и исследуемую 3 призмы с общими гипотенузными и катетными гранями. Преломленные призмами пучки проходят поляризатор 4 и становятся после него линейно-поляризованными. После этого пучки направляются на кристаллооптический элемент 5, подобный изображенному на фиг. 1. Прошедшие кристалл пучки в результате интерференции обыкновенных и необыкновенных лучей приобретают эллиптическую поляризацию. Измерение разности фаз в каждом из пучков осуществляется соответственно устройствами

6 и 7 известной конструкции (например, компенсатором Сенармона с модулятором Фарадея). Они,в свою очередь,подключены к устройству вычитания 8, в котором происходит сравнение разности фаз в каналах.

При равенстве показателей преломления образцовой и исследуемой призмы (дп=О) преломленные ими пучки остаются параллельными и падают на кристалл под одинаковым углом. Соответственно на выходе кристалла эллиптически поляризованные пучки имеют одинаковую разность фаз, а устройство вычитания фиксирует «нуль».

При д п О преломленные призмами пучки, 5 образующие межд собой некоторый угол

А,Ь,падают на кристалл под различйыми углами. Таким образом, разности фаз света в каждом из прошедших кристалл пучков различны. Соответственно их разность, из10 меряемая устройством вычитания, отличается от нуля и ее значение характеризует угол hp,à следовательно. и измеряемое значение дп.

Повышение точности в предлагаемом

15 способе достигается благодаря регистрации эллиптичности световой волны. не зависящей от координаты прохождения светового пучка по сечению клина, а также поляризацией светового пучка на выходе из измерительного элемента, так как в противном случае при контроле оптических стекол имело бы место искажение эллиптичнос— ги светового пучка из-за натяжений. обуславливающих двупреломление стекол. При использовании в качестве кристаллооптического элемента пластинки кварца толщиной

10 мм, вырезанной под углом 45 к оси, поперечный сдвиг пучков cI составляет 0,1 мм.

Измерение разности фаз модуляционным методом Сенармона обеспечивает погрешность не более 1 . Как следует из приведенной вь.ше формулы, погрешность измерения угла отклонения и р не превосходит 0.05, что соответстьует ногре1пности измерения показателя преломления Влп (3--5)х10 .

Таким образом, 11редл ага емый способ позволяет на порядок повысить точность измерения показателя преломления по сравнению с известными способами.