Устройство для определения показателя преломления и толщины

1 Изобретение относится к оптическим измерениям и может быть использовано для определения абсолютного значения показателя преломления и дисперсии твердых, жидких и газообразных сред, а также для определения геометрической толщины плоскопараллельных прозрачных пластин. Известно устройство, содержащее источник монохроматического излучения, объектив,интерферометр Маха-Цендера, устройство поворота исследуемого образца и систему анализа интерференционной картины [1]. К основным недостаткам этого устройства следует отнести снижение точности измерений за счет смещения светового пучка, прошедшего через образец при его повороте, а также за счет смещений и искажений интерферирующих пучков при изменении длины волны излучения, вызываемых дисперсией в объективе и светоделителях. Наиболее близким по технической сущности является устройство, содержащее последовательно расположенные источник монохроматического излучения, светоделитель, отражающая грань которого ориентирована под углом 45 к оптической оси, объектив, устройство поворота исследуемого образца, автоколлимационное зеркало и систему анализа интерференционной картины, расположенную в плоскости автоколлимационного изображения источника излучения, сформированного объективом с помощью зеркала и светоделителя [2]. Основным недостатком данного устройства является зависимость параметров оптической схемы интерферометра от длины волны используемого излучения, что приводит к снижению точности измерений за счет смещений и искажений интерферирующих пучков при изменении длины волны излучения, вызываемых дисперсией в объективе и светоделителях, а также за счет погрешностей изготовления образца для измерений. Кроме того, данное устройство сложно из-за наличия объектива и позволяет сформировать лишь интерференционные полосы конечной ширины, что не дает возможности использовать в процессе регистрации весь световой поток и приводит к энергетическим потерям. В известном устройстве интерференционная картина промодулирована функцией размытия объектива и находится, в основном, в пределах ее нулевого максимума. Распределение интенсивности в интерференционной картине в известном устройстве имеет вид [3]: где p - ширина каждой из щелей диафрагмы;a - расстояние между щелями;- угол, определяющий рассматриваемые направления относительно оптической оси. Число интерференционных полос в пределах нулевого дифракционного максимума будет 2 равно 2 a/p. Таким образом, даже в предельном случае, когда диафрагма отсутствует, т.е. а = р,в пределах нулевого дифракционного максимума будут наблюдаться две интерференционные полосы. А поскольку для достижения высокого контраста ширина анализирующей щели в системе анализа интерференционной картины не должна превышать ширины интерференционной полосы, то на регистрирующее устройство системы анализа интерференционной картины приходит лишь часть светового потока. Задачей изобретения является обеспечение независимости параметров оптической схемы устройства от длины волны используемого излучения, а также уменьшение потерь энергии. Для решения данной задачи в устройстве для определения показателя преломления и толщины, содержащем последовательно расположенные источник монохроматического излучения, светоделитель, устройство поворота исследуемого образца, автоколлимационное зеркало и систему анализа интерференционной картины, на пути отраженного от светоделителя луча установлен отражательный элемент, отражающая поверхность которого параллельна отражающей поверхности светоделителя, а устройство поворота обеспечивает ориентацию оси вращения исследуемого образца в плоскости распространения лучей в каналах, перпендикулярно им. Для проведения экспрессных измерений в широком спектральном диапазоне источник излучения содержит систему лазерных излучателей с заданными длинами волн излучения и оптическую сисгему ввода излучения в оптический канал устройства. обеспечивающую расположение оптических осей излучателей таким образом, чтобы они были параллельны друг другу, перпендикулярны оси вращения образца и лежали в плоскости, проходящей через лучи обоих каналов. Оптическая система ввода излучения может быть выполнена для последовательного ввода излучения каждого лазера в оптический канал устройства, либо для одновременного ввода излучения всех лазеров в оптический канал устройства. Оптическая система для одновременного ввода излучения всех лазеров в оптический канал устройства может быть выполнена в виде системы отражательных элементов, установленных на оптической оси каждого излучателя под углом к ней, отражающие поверхности которых параллельны. В приведенном варианте выполнения система анализа интерференционной картины имеет ряд приемных каналов, число которых соответствует количеству используемых длин волн. Оптическая система для последовательного ввода излучения каждого лазера в оптический канал устройства может быть выполнена в виде установленных на оптической оси каждого 3 излучателя, под углом к ней, системы отражательных элементов и системы затворов. В заявляемом устройстве практически отсутствуют оптические элементы, например,объектив, параметры которых существенно зависят от длины волны используемого излучения. В результате этого, параметры интерференционной картины не будут изменяться при изменении длины волны. Интерференционная картина в заявляемом устройстве не локализована, т.е. существует в протяженной области пространства, поэтому нет необходимости настройки системы анализа интерференционной картины на какую-то определенную плоскость, например, плоскость изображения, как в прототипе. При этом возможна настройка на полосу бесконечной ширины, при которой используется весь световой поток, что уменьшает энергетические потери. Следовательно, использование предлагаемого технического решения позволяет устранить зависимость параметров оптической схемы устройства от длины волны используемого излучения, а также уменьшить энергетические потери. Это приводит к увеличению точности измерений и к упрощению конструкции устройства, т.к. отсутствует объектив и устраняется необходимость переюстировки плоскости регистрации при изменении спектрального состава излучения. Кроме того, в заявляемом изобретении повышается точность измерений за счет устранения влияния погрешностей изготовления образца на контраст интерференционной картины. В прототипе даже очень небольшие погрешности формы образца (клиновидность, сферичность и др.) вызывают смещение плоскости изображения, что приводит к уменьшению контраста интерференционных полос в плоскости регистрации системы анализа интерференционной картины, вплоть до исчезновения полос. В заявляемом же изобретении интерференционная картина не локализована и погрешности изготовления образца не влияют на ее контраст. Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена оптическая схема устройства; на фиг. 2 - вариант выполнения оптической схемы устройства с использованием системы лазерных излучателей. Устройство содержит последовательно расположенные источник монохроматического излучения 1, светоделитель 2, устройство поворота исследуемого образца 3, зеркало 4, а также отражательный элемент 5 и систему анализа интерференционной картины 6. Исследуемый образец 7 закреплен на оси устройства поворота 3. В качестве источника излучения может быть использован лазер с перестраиваемой длиной волны или система лазеров, каждый из ко 000367 4 торых генерирует излучение одной или нескольких длин волн. Количество длин волн выбирается исходя из конкретной задачи, стоящей перед исследователем. Как известно [4], существует дисперсионная формула, с помощью которой, зная показатель преломления для шести длин волн из диапазона 400-1014 нм, можно определить показатель преломления для любой длины волны из этого диапазона с точностью не менее 0,000005, т.е. возможно построить с высокой точностью кривую дисперсии для данного спектрального диапазона, измерив шесть показателей преломления для шести длин волн из этого диапазона. Используя источники с длинами волн вне этого диапазона, можно,очевидно,определять соответствующие показатели преломления для используемых длин В устройстве на фиг. 2 источник 1 излучеволн. ния содержит несколько лазеров 8, а также оптическую систему отражателей 9 для ввода излучения от каждого лазера в оптический канал устройства и систему затворов 10. В качестве затворов может использоваться, например, подвижная диафрагма 10 с отверстием, через которое может пройти излучение только одного лазера. Перемещая диафрагму перпендикулярно падающему излучению, выделяют последовательно лучи с различными длинами волн. Устройство работает следующим образом. Световой луч от источника монохроматического излучения 1 (например, узкий, нерасширенный луч лазера) падает на светоделитель 2 и разделяется на два луча. Светоделитель может быть установлен под разными углами к оптической оси. При этом благодаря тому, что отражающая поверхность отражательного элемента 5 параллельна отражающей поверхности светоделителя 2, направления лучей, падающих на автоколлимационное зеркало 4, не зависят от установки светоделителя 2. В качестве светоделителя 2 может использоваться, например, плоская пластинка со светоделительным покрытием и небольшим углом между гранями с целью устранить влияние раздвоения луча, или же светоделительный кубик. Один из лучей проходит через исследуемый образец 7, отражается от зеркала 4, установленного нормально падающему лучу, вновь проходит через образец 7 и, отразившись от светоделителя 2, попадает в систему анализа интерференционной картины 6. Второй луч отражается от отражательного элемента 5, зеркала 4 и, пройдя через светоделитель 2, также попадает в систему 6 анализа интерференционной картины. Интерферируя между собой эти лучи формируют интерференционную картину. Для более полного использования световой энергии настройка картины производится на полосу бесконечной ширины. Излучение лазеров может вводиться в оптический канал устройства либо последовательно, либо одновременно. В первом случае цикл измерений необходимо повторять для каждой 5 длины волны, система анализа интерференционной картины имеет один приемный канал. Приемный канал системы анализа интерференционной картины может состоять из фотоприемника, например, фотодиода или ФЭУ, с диафрагмой, регулирующей величину светового потока, попадающего на чувствительную площадку фотоприемника, а также усилителя и системы счета интерференционных полос. Последовательный ввод излучения с различными длинами волн может осуществляться с помощью оптической системы 9 для ввода излучения от каждого источника в оптический канал, состоящий из набора зеркал, а также затворов 10, открывающих требуемый в данный 10 отсутствуют,Во втором случае затворы момент луч. излучение всех источников 1 вводится с помощью системы отражателей 9 одновременно, а система 6 анализа интерференционной картины содержит соответственное количество приемных каналов, равное количеству используемых длин волн. При этом спектральное разделение излучения возможно выполнять как в оптическом, так и в электронном тракте. Например,спектральное разделение излучения в оптическом тракте можно осуществить с помощью интерференционных фильтров, установленных перед каждым фотоприемником. Для спектрального разделения в электронном тракте следует, например, промодулировать излучение каждого лазера со своей временной частотой. При этом можно использовать для регистрации один фотоприемник, а разделение сигналов,соответствующих различным длинам волн,осуществлять в электронном тракте, например,используя электрические фильтры. Единственный оптический элемент заявляемого устройства, параметры которого могут зависеть от спектрального состава используемого излучения, это светоделитель 2, который присутствовал и в прототипе. Эта зависимость значительно слабее, чем, например, для объектива. Каждый из интерферирующих лучей проходит через светоделитель 2 по одному разу, а следовательно искажения, вызванные изменением спектрального состава излучения, будут примерно одинаковы для каждого луча и не окажут существенного влияния на интерференционную картину. Данное устройство может быть также использовано для определения показателя преломления жидких и газообразных сред. Для этого исследуемая среда должна быть помещена в плоскопараллельную кювету. С целью исключения влияния стенок кюветы на точность измерений через часть кюветы, не заполненную средой (отделенную перегородкой), следует пропускать опорный луч, сформированный отражательным элементом 5. Используемые источники информации: 1. Betzler К., Grone A., Schmidt N., Voigt P.the Refractive Index of Fused Silica. JOSA, v. 55,N 10, 1965, pp. 1205-1209. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Устройство для определения показателя преломления и толщины, содержащее последовательно расположенные источник монохроматического излучения, светоделитель, устройство поворота исследуемого образца, автоколлимационное зеркало и систему анализа интерференционной картины, отличающееся чем, что на пути отраженного от светоделителя луча установлен отражательный элемент, отражающая поверхность которого параллельна отражающей поверхности светоделителя, a устройство поворота обеспечивает ориентацию оси вращения исследуемого образца в плоскости распространения лучей в каналах перпендикулярно им. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем,что источник излучения содержит систему лазерных излучателей с заданными длинами воли излучения и оптическую систему ввода излучения в оптический канал устройства, обеспечивающую расположение оптических oceй излучателей таким образом, чтобы они были параллельны друг другу, перпендикулярны оси вращения образца и лежали в плоскости, проходящей через лучи обоих каналов. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем,что оптическая система ввода излучения выполнена для последовательного ввода излучения каждого лазера в оптический канал устройства. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем,что оптическая система ввода излучения выполнена для одновременного ввода излучения всех лазеров в оптический канал устройства. 5. Устройство по п.2, отличающееся тем,что оптическая система выполнена в виде системы отражательных элементов, установленных на оптической оси каждого излучателя под углом к ней, отражающие поверхности которых параллельны. 6. Устройство по пп.3, 5, отличающееся тем, что оптическая система ввода излучения дополнительно содержит систему затворов, установленных на оптической оси каждого излучателя. 7. Устройство по пп.2, 4, 5, отличающееся тем, что система анализа интерференционной картины имеет ряд приемных каналов, число которых соответствует количеству используемых длин волн. Евразийский патент действует на территории всех Договаривающихся государств, кроме