SU1485077A1

SU1485077A1 - Интерференционный рефрактометр многократно нарушенного полного внутреннего отражения

Info

Publication number: SU1485077A1
Application number: SU874185638A
Authority: SU
Inventors: Yurij V Dedyulin; Nina G Gerasimova; Vladimir M Zolotarev; Yurij V Kuznetsov
Original assignee: Yurij V Dedyulin; Nina G Gerasimova; Vladimir M Zolotarev; Yurij V Kuznetsov
Priority date: 1987-01-26
Filing date: 1987-01-26
Publication date: 1989-06-07

Description

Изобретение относится к технической Физике, в частности к рефрактометрии. Цель изобретения — повышение достоверности измерений путем учета знака изменения показателя преломления исследуемой среды относительно эталонной. Введение элемента многократно нарушенного полного внутреннего отражения (МНПВО) в интерференционную систему позволяет проводить фазовые измерения. Элемент МНПВО имеет два входа, два выхода излучения, оптически связанные с зеркалами, расположенным по ходу излучения.

Изобретение относится к технической физике, в частности к рефрак·’ тометрии, и может быть использовано при решении различного рода физикохимических задач.

2

Входная, выходная грани элемента МНПВО обращены в стороны зеркал, а со стороны нерабочих граней элемента через продольные пазы установлены параллельно друг другу в параллельных каналах измерения, сравнения кюветы.

За элементом МНПВО установлены зеркала, приемные оптические системы, фотоприемные устройства, присоединенные к блоку предварительной обработки информации и к ЭВМ. Элемент содержит вакуумно-уплотненные кюветы, выполненные из оптического материала, которые имеют матированные торцовые поверхности, продольный паз. Элемент МНПВО помещают в интерференционную а систему, пропускают пучки лучей через элемент МНПВО, измеряют фазовые соотношения для пучков лучей, прошедших элемент МНПВО для разных длин ••волн, затем измеряют фазовые соотношения этих же пучков, причем один пучок пропускают через эдемент МНПВО прежним путем и по крайней мере один из пучков пропускают через элемент МНПВО, контактирующий с исследуемым веществом. Через элемент МНПВО, помещенный в интерференционную систему, под различными углами падения пропускают двухлучевую систему световых пучков. 2 ил.

Целью изобретения является повышение достоверности измерений путем учета знака изменения показателя пре* ломления исследуемой среды относительно показателя преломления эталон ной среды.

5и,„ 1485077 А1

3 1485077

На фиг.1 изображена схема интерференционного рефрактометра многократно нарушенного полного внутреннего отражения (МНПВО); на фиг.2 - за- $ висимость изменения фазы в измерительном плече интерферометра относительно его опорного плеча от величины показателя преломления исследуемой среды. 10

Интерференционный рефрактометр МНПВО содержит оптическую скамью I, источник 2 излучения света, осветительную систему 3, полупрозрачное зеркало 4, непрозрачное зеркало 5, 15

входную 6 и выходную 7 грани элемент /га 8 МНПВО, кюветы 9 и 10 с пазами и матированными торцовыми поверхностями, штуцера 11 и 12 для впуска воздуха, вакуумные шланги 13, 14, полу- 20 прозрачные зеркала 15 (или непрозрачные зеркала, вводимые в ход лучей при измерении спектров МНПВО), приемные оптически системы 16 и 17, фотоприемные устройства 18 и 19, блок 20 25 -предварительной обработки информации и вычислительный блок 21.

Рефрактометр работает следующим ^образом.

Световой поток от источника 2 из- 30 лучения, расположенного в фокальной плоскости осветительной системы 3, проходит ее, формируется ею и направляется на зеркала 4 и 5 под опредеДенным углом падения лучей Θ . Пада-’ ющий световой пучок делится зеркалом'

4 на два пучка, каждый из которых, пройдя ветви интерферометра и систе*му элемент МНПВО - кюветы, многократ!но отражаясь в нем, затем после προ-ί дд хождения зеркал 4 и 5 вновь соединяясь, поступает в приемную систему 17, блоки 20 и 21. Одновременное про!·хождение расщепленных пучков через единую жесткую систему элемент МНПВО^-д₅.кюветы образует в фокальной плоскости приемной оптической системы 17, .расположенной под тем же углом б к исследуемому объекту, систему интер" ференционных полос, которые используются в качестве канала сравнения для измерения сдвига интерференцион—, > пых полос'» получаемых от канала изме!~ рения. Фотоприемное устройство 19 регистрирует систему интерференционных полос. В блоке 20 осуществляется предварительная обработка информации, далее сигналы поступают для математической обработки в вычислительный

4

.блок 21. Систему интерференционных полос для канала измерения образуют одновременным прохождением одного светового пучка через элемент МНПВО и кювету с образцовым объектом (например, жидкостью), в другой кювете располагается исследуемый объект.

В фокальной плоскости оптической системы для канала измерения образуется смещенная система интерференционных полос, которая возникает в результате. изменения фазового набега за счет взаимодействия излучения с веществом, контактирующим с элементом МНПВО. Далее обработка информации осуществляется аналогично каналу сравнения. По смещению полос, т.е. по разности хода лучей, соответствующей разности показателей преломления сравниваемых объектов, их толщины, с помощью фотоприемных устройств и блока предварительной обработки информации осуществляется в вычислительном блоке 21 математическая обработка по расчету оптических постоянных (показателя преломления, показателя поглощения, толщины исследуемой пленки).Одновременно, последовательно во времени, за одну установку, с помощью зеркал 15, приемной оптической системы 16,фотоприемного устройства 18 для регистрации спектров МНПВО по отношению двух последовательных электрических импульсов, снимаемых с каждого фотоприемника, получают значения коэффициентов отражения света для углов падения 0^ и $_г, по которым; в блоке 20 предварительной обработки информации и в вычислительном блоке 21 определяются показатели преломления и поглощения, а также может вычисляться толщина исследуемого слоя.

При использовании блока МНПВО размером 24x50x2,4 мм при углах падения 45° число взаимодействий излучения с поверхностью пленки воды равно 12. Тогда, при фотоэлектрическом способе измерения фазы, обеспечивающем измерение разности фаз до 0,0001, возможно измерять толщину, например, пленки с точностью не хуже 0,1 нм.

Точность измерения показателя преломления пленки двуокиси циркония . толщиной 125 нм показана на фиг.2.

На ординате показаны конкретные значения фазы излучения- после прохождения канала измерения и их разница в

1485077

долях *1Г. Использование фотоэлектрической регистрации обеспечивает измерение указанной разницы фаз. На абсциссе приведены полученные значения показателя преломления двуокиси циркония с точностью до 1x10"⁴.

Точности измерений толщины слоя и показателя преломления существенно выше интерференционных методов и методов МНПВО. Оптическая скамья имеет развязку от внешних воздействий (вибраций). Источник излучения - сменный (ртутная лампа, лазер и т.д.),направляется пучок лучей под определенным углом Θ на исследуемый объект, осветительная система содержит светофильтры, проецирующую систему, поляризаторы и т.д. В фокальной плоскости проецирующей системы расположены полупрозрачные зеркала с покрытием 1И 24Р. Отражающие непрозрачные зеркала с таким же покрытием 1И 24Р имеют коэффициент отражения примерно 90%. Элемент МНПВО сменный, изготовленный из кварца, М§К₂ и др. Кюветы изготовлены из металла (нержавеющая сталь') и из стекла (молибденовой,пла-ί тиНитовой групп). При использовании элемента МНПВО, изготовленного из кварца, кюветы изготовлены из молибденового стекла. Герметик, например* эпоксидная смола. При использовании . элемента МНПВО, изготовленного из М§Р'₄ , кюветы изготовлены из стекла платинитовой группы. Герметик — стеклоцемент, стеклоэмали. Кюветы имеют штуцера для присоединения вакуумных шлангов и впуска воздуха. Торцовые поверхности цилиндрических кювет матированы для исключения влияния мешающего излучения. Пазы выполнены для установки в них элемента МНПВО. Элемент МНПВО используется в нескольких вариантах: с двумя кюветами (с откачкой, без откачки), с одной кюветой и исследуемым объектом из твердого оптического материала, например стекло, кристалл (с откачкой, без откачки). Вся система элемент МНПВО -— кюветы установлена на металлическом основании, которое крепится на оптической скамье. Достоверность измерений повышается в устройстве благодаря точному определению направления измерения фазы в измерительном плече интерферометра, соответствующем знаку воздействия возмущающей среды. Это позволяет правильно оценить знак из45

10

15

20

25

30

35

40

50

55

менения показателя преломления исследуемой среды относительно эталонной и получить достоверные результаты при определении абсолютных значений измерительных величин.

Интерференционный рефрактометр МНПВО позволяет получить большую точность измерений оптических констант (примерно на порядок),чем при использовании интерференционных измерений так как интерференционные картины и спектры отражения образуются одновременным прохождением двух пуч-. ков лучей для каналов сравнения и измерения, и регистрирует· световые потоки (каналов измерения, сравнения), усиленные взаимодействием пучков света путем многократного отражения в элементе МНПВО, помещенном в интерференционной системе.

Claims

Формула изобретения

Интерференционный рефрактометр многократно нарушенного полного внутреннего отражения, содержащий источник света, оптически связанный с полупрозрачной пластиной, установленные по ходу пучка света, прошедшего через полупрозрачную пластину, измерительный элемент многократно нарушенного полного внутреннего отражения, погруженный к кювету для исследуемой среды, и отражательное зеркало, установленные по ходу пучка света, отраженного от полупрозрачной пластины, второе отражательное зеркало, эталонный элемент многократно нарушенного полного внутреннего отражения, погруженный в кювету для эталонной среды, второе полупрозрачное зеркало, оптически связанное с первым отражательным зеркалом, фотоприемное устройство и регистратор, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности измерений путем учета знака изменения показателя преломления исследуемой среды относительно эталонной-среды, в интерференционный рефрактометр введены вычислительный блок с тремя входами, два дополнительных фотоприемных устройства, третье и четвертое полупрозрачные зеркала, установленные соответственно между измерительным элементом многократно нарушенного полного внутреннего отражения и первым отражательным зеркалом, а также между эталонным элементом многократно нарушен—

1485077

ного полного внутреннего отражения и вторым полупрозрачным зеркалом, третье полупрозрачное зеркало оптически связано с одним из дополнительных фотоприемньгх устройств, выход которого соединен с одним из входов вычислительного блока, а четвертое полупрозрачное зеркало оптически связано с другим дополнительным фотоприемным устройством, выход которого соединен с другим входом вычислительного блока, причем выход первого фотоприемного устройства соединен с третьим входом вычислительного блока, выход которого соединен с регистрато· ром.

.Г

г-пт* 76654(2 7665161 7664910

7664660

7664409

7664156

7663906

7663637

7663406

7663156

7662905

«ь гг

§ в

** *«г

<3 £ ей «Ь

Р»

δ £ 5 £

Фиг. 2