Интерференционный способ измерения показателей преломления монокристаллов

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и быть использовано в качестве интерференционного способа измерения показателей преломления монокристаллов. Цель изобретения - повышение производительности и информативности способа, а также упрощение его реализации без снижения точности измерения. Цель обеспечивается за счет использования нового принципа формирования интерференционной картины рассеянного кристаллом света, в основу которого попожен эффект пространственной модуляции рассеянного света в двупреломляющих монокристаллах, реализуемый, в частности, при обпучении образца монокристалла монохроматическим поляризованным пучком света поочередно вдоль каждой одной из трех главных осей оптической индикатрисы и регистрации интерференционных картин со стороны граней кристалла, ортогональных биссектрисам углов между двумя другими главными осями оптической индикатрисы Численные значения показателей преломления вычисляют по результатамизмеренияпериодов интерференционных полос соответствующих интерференционных картин рассеянного кристаллом света из системы трех уравнений, исходя из известной величины длины волны облучающего монокристалл света СО С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (з1)з C. 01 N 21/45

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4737303/25 . (22) 08.09.89 (46) 30.12,91. Бюл. № 48 (71) Московский инженерно-физический институт (72) А.Н.Алексеев и fi.À.Ôèëèìoíoâà (53) 535.24 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1213398, кл. 6 01 М 21/45, 1984.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1278688; кл. 6 01 N 21/41, i 985. (54) ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБ

ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРЕЛОМЛЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в качестве интерференционного способа измерения показателей преломления монокристаллов. Цель изобретения —. повышение производительности и информативности способа, а также упрощение его реализации без снижения точности измерения. Цель обеспечивается за счет исИзобретение относится к контрольноизмерительной технике, в частности к интерференционным способам измерения показателей преломления анизотропных сред, и может быть использовано для измерения главных показателей преломления двупреломляющих монокристаллов.

Известен интерферен цион ный способ измерения показателей преломления, заключающийся в освещении исследуемого анизотропного вещества монохроматическим пучкам света, формировании и регистрации интерференционной картины в проходящем или (и) отраженном свете с последующим измерением геометрических параметров ее топологии и вычислении по Ы,, 1792259 А1 пользования нового принцип- формирования интерференционной картины рассеянного кристаллом света, в основу которого положен эффект пространственной модуляции рассеянного света в двупреломляющих монокристаллах, реализуемый, в частности, при облучении образца монокристалла монохроматичсским поляризованным пучком света поочередно вдоль каждой одной иэ трех главных осей оптической индикатрисы и регистрации интерференционных картин со стороны граней кристалла, ортогональных биссектрисам углов между двумя другими главными осями оптической индикатрисы, Численные значения показателей преломления вычисляют по результатам измерения периодов интерференционных полос соответствующих интерференционных картин рассеянного кристаллом света из системы трех уравнений, исходя из известной величины длины волны облучающего монокристалл света. ним соответствующего коэффициента преломления вещества.

Для измерения значений всех (двух или трех) главных показателей преломления монокристаллов (соответственно, для оптическим одноосных или двуосных кристаллов) необходимо многократное проведение описанных операций измерения по крайней мере не менее чем двух- или трехкратное.

Наиболее близким к изобретению является интерференционный способ измерения показателей преломления монокристаллов, заключающийся в том, что образец монокристалла, снабженный плоскбй гранью с предварительно нанесенными на ее поверхность несколькими г702259 участками двухслойных пленок AgCI — Ag различных толщин, облучают монохроматическим поляризованным пучком света вдоль нормалей к указанной грани, фиксируя соответствующие интерферанционные карти- 5 ны рассеянного света в области участков пленок AgCl — Ag различных толщин, измеряют периоды интерференционных полос соответствующих интерференционных картин и по результатам этих измерений вычис- 10 ляют значения показателей преломления, Недостатком этого способа является низкая производительность и сложность реализации, что обусловлено необходимостью использования вспомогательных 15 процедур формирования и фиксирования соответствующих интерференционных картин рассеянного света, реализация которых, равно как и измерение геометрических параметров их топологии, требует весьма 20 сложного методического, аппаратурного и технологического обеспечения. Иедостатком является также ограниченная информативность, обусловленная возможностью измерения с использованием данного об- 25 разца монокристалла значения показателя преломления лишь для одного заданного направления.

Целью изобретения является позышение производительности и упрощение спо- 30 соба без снижения точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения показателей преломления монокристаллов, заключающемся в том, что образец монокристалла 35 облучают монохроматическим поляризованным пучком света, регистрируют интерференционную картину рассеянного кристаллом света с последующим измерением периода интерференционных полос и 40 по результатам этих измерений вычисляют значение показателей преломления монокристалла, образец монокристалла поочередно облучают вдоль каждой одной из трех главных осей оптической индикатрисы, ре- 45 гистрируют интерференционную картину рассеянного кристаллом света со стороны грани, ортогональной биссектрисе угла между соответствующими двумя другими главными осями оптической индикатрисы, а 50 по результатам измерения периодов интерференционных полос соответствующих интерференционных картин вычисляют значения главных показателей преломления монокристалла из системы следующих 55 уравнений:

= Я. п2- п1 = сказ

А, пз- п2 =

cl)

ПЗ- n1= —, 12 где п, п, пз — значения главных показателей преломления монокристалла, отвечающие направлениям трех главных осей его оптической индикатрисы;

d1, б, бз — периоды интерференционных полос в интерференционных картинах рассеянного света при облучении образца монокристалла вдоль главных осей оптической индикатрисы,м;

Л вЂ” длина волны света, облучающего образец монокристалла, м.

В основу способа положен эффект пространственной модуляции рассеянного света в двупреломляющих кристаллах, Суть этого эффекта состоит в следующем. Поляризованная световая волна. войдя в двупреломляющий кристалл, расщепляется на две парциальные когерентные волны, распространяющиеся с различными скоростями и взаимно ортогональными направлениями колебаний вектора D электрической индукции (вдоль тех или иных двух главных осей оптической индикатрисы), Разность фаз этих волн дrp зависит от расстояния I, пройденного ими в данном напраглении в кристалле, и разности показателей преломления (n - п")

2 zt света в том же направлении: дp =- -(n—

n") 1, где А — длина волны света. Каждая из этих парциальных волн испытывает рассеяние на микронеоднородностях, всегда имеющих место в реальном кристалле, причем если характерные размеры этих микронеоднородностей составляют не более 0,1 л. то рассеянный свет оказывается полностью линейно поляризованным с ориентацией плоскости колебаний вектора D перпендикулярно той плоскости, в которой лежат падающий луч и линия наблюдения.

Таким образом, для определенных ориентаций линии наблюдения колебания рассеянного света оказываются ортогональными как к линии наблюдения, так и к световому лучу в кристалле. В результате в направлении грани кристалла, ортогональной такой линии наблюдения проходят лишь определенные компоненты двух рассеянных парциальных световых волн, интенсивности которых складываются с учетом их разности фаз д р. В связи стем, что величина д р изменяется вдоль направления распространения света в кристалле, интенсивность рассеянного света, прошедшего в направлении грани кристалла, ортогональной оговоренной линии наблюдения, оказывается пространственно промодули1702259 рованной с периодом A = вЂ, †„„ который соответствует изменению величины д rp на 2 г, т.е. со стороны указанной грани кристалла наблюдается интерференцион- 5 ная картина рассеянного света в виде периодической системы чередующихся светлых и темных полос. Наиболее контрастной данная интерференционная картина оказывается в том случае, когда линия наблюдения 10 параллельна биссектрисе угла между теми двумя осями оптической индикатрисы, которые отвечают соответствующим ортогональным направлениям колебаний вектора

D двух парциальных ко ерентных световых 15 волн, на которые расщепляется исходная световая волна. вошедшая вдвупреломляющий кристалл. При этом, пространственное распределение нэблюдаемой интерференционной картины рассеянного света вдоль 20 направления распространения луча света в

2 Я кристалле подчиняется закону соя или

2 Я

sin

Каждому направлению распространения света в кристалле отвечает свое значение (n - п") и соответственно свое значение периода Лпространственной модуляции рассеянного света, а следовательно, и свое 30 значение периода d контрастных интерференционных полос, наблюдаемых со стороны грани кристалла, оротсгональной биссектрисе угла между соответствующими главными осями оптической индиктрисы. 35

Именно это и определяет возможность, облучая кристалл, например, в двух различных направлениях (i, j) в той или иной плоскости облучения и измеряя периоды di u di соответствующих интерференционных кар- 40 тин, а также зная длину волны Аоблучающего кристалл света, определить численные значения разности показателей преломления (и - n")- и(п — n")i в данном направлении в монокристалле, а проведя серию подо- 45 бных измерений для различных направлений распространения облучающего пучка света в кристалле, идентифицировать численные значения и самих величин показате50 лей преломления для соответствующих направлений в кристалле.

Для получения же полной информации о величинах показателей преломления света в любом направлении в кристалле необходимым и достаточным является знание величин главных показателей преломления, отвечающих направлениям главных осей. оптической индикатрисы кристалла. В свою очередь, для измерения значений главных показателей преломления кристалла с использованием описанного эффекта пространственной модуляции рассеянного света и с, учетом сказанного о выборе грани наблюдения интерференционной картины рассеянного света, необходимо определить также и такой набор направлений облучения кристалла, при котором измеренные значения (n — n")l,i,k,1, „позволяли бы вычИСЛИтЬ ГЛаВНЫЕ ЗНаЧЕНИЯ П1, П2 И ПЗ.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований показали, чтодля обеспечения возможности определения

noлного набора значений главчых показателей поеломления п1, п2, пз с использованием эффекта пространственной модуляции ргссеячного света в двупреломляющих монокристаллах, образец монокристалла следует пс очередно облучать монохроматическим поляризованным пучком света вдоль каждой иэ трех главных осей оптической индикатрисы, регистрируя при этом интерференционную картину рассеянного света со стороны грани кристалла, ортогональной биссетрисе угла между теми двумя главными осями оптической индикатрисы, которые ортогональны главной ее оси, вдоль которой осуществляется облучение кристалла, В этом случае периоды бц,k трех поочередно наблюдаемых интерференционных картин определяются следующими соотношениями:

Л Л

01= —; d2 = пЗ п2 пз nl

Л з= — —, n2 — п1 где п1, п2, пз — главные показатели преломления кристалла. В свою очередь, система этих трех уравнений позволяет найти однозна iH08 решение для значений nl, n2, п3.

Способ осуществляют следующим образом.

Образец монокристалла поочередно облучают монохроматическим поляризованным пучком света вдоль каждой одной из трех главных осей оптической индикатрисы.

При этом каждый раэ регистрируют интерференционную картину рассеянного коиcTBflfioM света со стороны грани кристалла, ортогональной биссектрисе угла между двумя другими главными осями оптической индикатрисы. Измеряют величины периодов

d>, d2, бз интерференционных полос соответствуюших интерференционных картин в каждом цикле облучения и по результатам этих измерений, зная величину длины волны Л облучающего пучка света, вычисляют значения главных показателей преломления п1, п2, пз монокристалла из системы следующих уравнений:

1702259

Л, Л, П2 П1 = —; ПЗ вЂ” П2 сЬ d>

= Л пз — ni = —, о2 (здесь индексы 1, 2, 3 соответствуют номерам главных осей оптической индикатрисы монокристалла).

Следует отметить, что предлагаемь,й способ в максимальной степени адаптирован к оптически двуосным кристаллам, для которых оптическая индикатриса является трехосным эллипсоидом. Действительно, в случае оптически одноосных кристаллов, у которых, как известно, оптическая индика-риса является эллипсоидом вращения, а численно различными являются лишь два главных показателя преломления пз и п1 = п2, непосредственное применение предлгаемого способа обеспечивает возможность измерения лишь величины разности двух главных показателей преломления гз и п3 = п2. Причем для этого оказывается достагочным проведение лишь одной операции измерения периода d> -= d2 интерференционной картины при облучении кристалла вдоль малой главной оси оптической индикатрисы.

При необходимости же численной оценки сагяих величин пз и п1достаточным оказывается проведение еще лишь одной oi.ерации

1 измерения d1 = d2 при облучении кристалла в направлении, отличающемся от малой главной оси оптической индикатрисы на некоторый угол а, Можно показать, что npv»

32» )I > » pI» Г1 » 1 где P — угол между малой главной ось а оп тической индикатрисы и направлением распространения светового пучка в кристалле, связанный с углом авхода пучка света в кристалл уравнением Френеля.

Этого уравнения совместно полученЛ ным ранее d2 — достаточно для пз и) идентификацил численных значений ггз и n) оптически одноосного кристалла.

Таким образом, предлагаемый способ пригоден для монокристаллов любых типов, тем не менее в плане повышения информативности и производительности измерений, а также упрощения реализации, он наибо лее адаптирован к оптически двуосным Монокристаллам.

В примере практической реаллэации способа измерялись величины главных показателей преломления монокристаллов молибдата гадолиния Gd2(M004)3 — GMO, относящегося к точечной симметрии mm u являющегося оптически двуосным.

Измерения п1, п2, п3 были выполнены всего на одном образце монокристалла

GM0, снабженного двумя системами трех ортогональных граней (100), (010). (001) и

5 (011), (101), (110),первая иэ которых использовалась для поочередного облучения кристалла вдоль нормалей к этим граням монохроматическим поляризованным пучком света (от Не — Ne лазера с длиной волны

10 Л=- 0,6328 мкм), а вторая для поочередной регистрации соответствующих интерференционных картин рассеянного на микронеоднородностях монокристалла света.

Измерение периодов соответствующих ин15 терференционных картин, регистрируемых со стороны гра ней (011), (101) и (110), осуществлялось с помощью =-лектронного блока, содержашего фоточувствительную матрицу

ПЗС-элементов, и проводилось путем изме20 рения коллчества интерференционных полос на фиксированной протяженности участка образца монокристалла с помощью сканирующего ПЗС-фотоприемника. Результаты измерений дали следующие эначе25 ния периодов d>, d2, dg: d<-(12,2 ": 0,1) мкм;

d2(12,1: 0,1) мкм; da(1528 + 2) мкм. Вычисленные по измеренным значениям d<, d2, бз и известному эначенлю Л = 0,6328 мкм величины гяавных пс азателей преломле30 ния п3, п2. пз монокри талла GM0 составили; пз =-.1,900; (п2 — n1) = 4 10 и п2

-4

= и-! = 1,848. Найденные значения п1, п2, пз находя".ся в полном соответствии с известными справочными данными для этого моч: нокристалла.

Формула изобретения

Интерференционный способ измерения показателей преломления монокрис-аллов, заключающийся в том, что образец

40 монокристалла облучают монохроматическим поляризованным пучком света; регистрируют интерференционную картину рассеянного образцом света с последующим измерением периода интерференцион45 ных полос и по результатам этих измерений вычисляют значения показателей преломления монокристалла, с т л и ч а ю шийся тем, что, с целью noBblLUeHI производительности и упрощения способа беэ снижения точности измерения, образец монокристалла оочередно облучают вдоль каждой из трех

;..;авных осей оптической индикатрисы. регистрируют интерференционную картину рассеянного образцом света со стороны грани, 55 ртогональной биссектрисе угла между соответствующими двумя другими главными осями оптической индикатрисы, à по результатам измерения периодов интерференционных полос соответствующих интерференцион1702259

Составитель Ю,Гринева

Техред М.Моргентал Корректор О,Кундрик

Редактор Ю.Середа

Заказ 4538 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 ных картин вычисляют значения главных показателей преломления монокристалла из системы следующих уравнений: пг — n1 А /дз; пз — пг= Л/д1: пз — n1= Л/дг, сде п1, пг, пз — значения главных показателей преломления монокристалла, отвечающие направлениям трех главных осей его оптической индикатрисы; д1, cl2, дз — периоды интерференционных полос в интерференционных картинах

5 рассеянного образцом света и ри облучении образца монокристалла вдоль главных осей оптической индикатрисы;

А — длина волны света, облучающего образец монокристалла.