RU2083969C1 - Interference method of measurement of refractive index in specimens with refractive index gradient - Google Patents

Abstract

FIELD: interferometers. SUBSTANCE: the method provides for single passage of light through the specimen placed in the interferometer due to replacement of one of the interferometer mirrors with two mirrors installed at an angle of 90 deg. relative to each other. The detected interference pattern makes it possible to obtain the values of refractive index from the coordinate in the specimen. EFFECT: facilitated procedure. 1 dwg

Description

Изобретение касается измерения оптических параметров веществ, в частности способов интерферометрического измерения показателя преломления. The invention relates to measuring the optical parameters of substances, in particular methods for interferometric measurement of the refractive index.

Изобретение может найти применение в различных областях народного хозяйства, где необходимо знание точного значения показателя преломления вещества, в частности в метрологии. The invention can find application in various fields of the national economy, where it is necessary to know the exact value of the refractive index of a substance, in particular in metrology.

Известен способ измерения зависимости показателя преломления от координаты, заключающийся в просвечивании образца перпендикулярно его оптической оси гауссовым пучком и измерении координат входа и выхода пучка из образца (Ильин В. Г. Карапетян Г.О. и др. Измерение аксиального распределения показателя преломления в заготовках для градиентной оптики. Оптико-механическая промышленность, 1989, N 5, с. 13). A known method of measuring the dependence of the refractive index on the coordinate, which consists in illuminating the sample perpendicular to its optical axis with a Gaussian beam and measuring the coordinates of the entrance and exit of the beam from the sample (Ilyin V.G. Karapetyan G.O. et al. Measurement of the axial distribution of the refractive index in blanks for gradient optics. Optical-mechanical industry, 1989, N 5, p. 13).

Наиболее близким к предлагаемому (прототип) является патент Великобритании N 1387905, кл.G 01 N 21/46, 1975, включающий освещение образца узким пучком монохроматического света, сканирующим образец, регистрацию интерференционной картины, полученной от взаимодействия опорного светового пучка, отраженного от первой поверхности образца, и тестового светового пучка, отраженного от второй поверхности образца при двукратном прохождении света через образец, восстановление по интерференционной картине разности фаз между опорным и тестовым пучками, по которой судят о показателе преломления образца. Closest to the proposed (prototype) is a UK patent N 1387905, class G 01 N 21/46, 1975, including illumination of the sample with a narrow beam of monochromatic light scanning the sample, registration of the interference pattern obtained from the interaction of the reference light beam reflected from the first surface the sample, and the test light beam reflected from the second surface of the sample when the light passes through the sample twice, restoration of the phase difference between the reference and test beams, according to the interference pattern, They judge the refractive index of the sample.

Недостатками данного способа является ограничение области его использования материалами с малыми градиентами показателя преломления, что связано с возможностью реализации способа только в отраженном свете при двукратном прохождении пучка через образец, и низкая точность способа, связанная с необходимостью механического сканирования узким пучком монохроматического света с последующим восстановлением интерференционной картины. The disadvantages of this method is the limitation of its use by materials with small gradients of refractive index, which is associated with the possibility of implementing the method only in reflected light when the beam passes through the sample twice, and the method’s low accuracy associated with the need to mechanically scan a narrow beam of monochromatic light with subsequent restoration of interference pictures.

Задачей изобретения является расширение класса исследуемых сред на среды с большим градиентом показателя преломления и повышение точности измерений. The objective of the invention is to expand the class of media under study into media with a large gradient of the refractive index and increase the accuracy of measurements.

Эта задача решается за счет того, что в интерференционном способе измерения показателя преломления в образцах с градиентом показателя преломления, включающем освещение исследуемого образца, выполненного в виде плоскопараллельной пластины, пучком монохроматического излучения, формирование интерференционной картины двумя отраженными пучками, один из которых проходит через образец, и регистрацию этой интерференционной картины, дополнительно освещающий пучок делят на два пучка с помощью интерферометра, один из пучков направляют через образец на одно из зеркал интерферометра, выполненное в виде двух зеркал, установленных под углом 90^o друг к другу, что обеспечивает однократное прохождение этого пучка через образец, а другой пучок отражают от другого зеркала интерферометра, формируют интерференционную картину полос равной толщины этими двумя пучками, измеряют координаты интерференционных полос в ней с последующим расчетом показателя преломления по формуле
n(x)=λ/d•Δk(x)=n_o
где n(x) зависимость показателя преломления от координаты;
λ длина волны монохроматического света;
d толщина пластины;
DK(x) зависимость разности порядков интерференции между точками с координатами x и x₀ от координаты x;
n₀ известный показатель преломления в точке x₀.This problem is solved due to the fact that in the interference method for measuring the refractive index in samples with a gradient of the refractive index, which includes illumination of the test sample made in the form of a plane-parallel plate with a beam of monochromatic radiation, the formation of an interference pattern by two reflected beams, one of which passes through the sample, and registration of this interference pattern, additionally illuminating the beam is divided into two beams using an interferometer, one of the beams is sent through a sample on one of the mirrors of the interferometer, made in the form of two mirrors mounted at an angle of 90 ^{° to} each other, which ensures a single passage of this beam through the sample, and the other beam is reflected from another mirror of the interferometer, form an interference pattern of bands of equal thickness by these two beams, measure the coordinates of the interference fringes in it, followed by the calculation of the refractive index by the formula
n (x) = λ / d • Δk (x) = n _o
where n (x) is the dependence of the refractive index on the coordinate;
λ wavelength of monochromatic light;
d plate thickness;
DK (x) the dependence of the difference of the orders of interference between points with coordinates x and x ₀ from the coordinate x;
n _{0 is the} known refractive index at x ₀ .

Известно, что для объекта с показателем преломления n(x), помещенного в интерферометр, оптическая разность хода между интерферирующими лучами в интерферометре при однократном прохождении света через образец записывается в виде
Δ(x)=K(x)λ=(n(x)-1)d
Тогда зависимость показателя преломления от координаты определяется по формуле
n(x)=n_o+Δn(x)=(K(x)-K_o)•λ/d+n_o,
где n₀ показатель преломления в точке x₀;
K₀-соответствующий точке x₀ порядок интерференции.It is known that for an object with a refractive index n (x) placed in an interferometer, the optical path difference between the interfering rays in the interferometer with a single passage of light through the sample is written as
Δ (x) = K (x) λ = (n (x) -1) d
Then the dependence of the refractive index on the coordinate is determined by the formula
n (x) = n _o + Δn (x) = (K (x) -K _o ) • λ / d + n _o ,
where n _{0 is} the refractive index at x ₀ ;
K _{0 is the} order of interference corresponding to the point x ₀ .

Следовательно, зависимость показателя преломления от координаты дается формулой
n(x)=λ/d•ΔK(x)+n_o
Таким образом получение двух интерференционных картин с обработкой любой из них и определение зависимости номеров интерференционных полос в ней от координаты позволяет определить зависимость значения показателя преломления от координаты в исследуемом образце.Therefore, the dependence of the refractive index on the coordinate is given by the formula
n (x) = λ / d • ΔK (x) + n _o
Thus, obtaining two interference patterns with processing of any of them and determining the dependence of the numbers of interference bands in it on the coordinate allows us to determine the dependence of the refractive index on the coordinate in the sample under study.

Предлагаемый способ можно реализовать с помощью, например, интерферометра Физо. The proposed method can be implemented using, for example, a Fizeau interferometer.

На чертеже представлена схема устройства, реализующего способ. The drawing shows a diagram of a device that implements the method.

Устройство содержит источник света, создающий монохроматический пучок лучей 1, полупрозрачное зеркало 2, делящее пучок лучей на отраженный (опорный) и прошедший (тестовый) пучки, зеркала 3 и 4, делящие прошедший (тестовый) пучок лучей на два пучка, идущих в противоположных направлениях по одному и тому же пути. The device comprises a light source creating a monochromatic beam of rays 1, a translucent mirror 2, dividing the beam of rays into reflected (reference) and transmitted (test) beams, mirrors 3 and 4, dividing the transmitted (test) beam of radiation into two beams traveling in opposite directions along the same path.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. The proposed method is as follows.

I. Параллельный пучок монохроматического света 1 в интерферометре (тестовый пучок) дополнительно разделяют на две части с помощью замены одного из зеркал интерферометра на два зеркала 3 и 4, установленных под углом 90^o друг к другу.I. The parallel beam of monochromatic light 1 in the interferometer (test beam) is additionally divided into two parts by replacing one of the mirrors of the interferometer with two mirrors 3 and 4 mounted at an angle of 90 ^{o to} each other.

II. Устанавливают плоскопараллельную пластину 5, вырезанную вдоль градианта показателя преломления, в пучок света нормально к падающему излучению. II. A plane-parallel plate 5 is mounted, cut along the gradient of the refractive index, into the light beam normally to the incident radiation.

III. Регистрируют две идентичные интерференционные картины, образованные взаимодействием опорного пучка с каждой из двух частей тестового пучка, однократно прошедших через образец (в противоположных направлениях). III. Two identical interference patterns are recorded, formed by the interaction of the reference beam with each of the two parts of the test beam that once passed through the sample (in opposite directions).

IV. Изменяют координаты интерференционных полос в одной (любой) интерференционной картине с последующим определением зависимости номеров интерференционных полос в ней от координаты и определяют зависимость показателя преломления от координаты по формуле
n(x)=λ/d•ΔK(x)+n_o
где n(x) зависимость показателя преломления от координаты;
λ длина волны монохроматического света;
d толщина пластины;
DK зависимость разности порядков интерференции между точками с координатами x и x₀ от координаты x,
n₀ известный показатель преломления в точке x₀.IV. The coordinates of the interference fringes are changed in one (any) interference pattern with the subsequent determination of the dependence of the numbers of interference fringes in it on the coordinate and the dependence of the refractive index on the coordinate is determined by the formula
n (x) = λ / d • ΔK (x) + n _o
where n (x) is the dependence of the refractive index on the coordinate;
λ wavelength of monochromatic light;
d plate thickness;
DK is the dependence of the difference in the orders of interference between points with coordinates x and x ₀ on the coordinate x,
n _{0 is the} known refractive index at x ₀ .

Точность определения показателя преломления зависит от толщины исследуемого образца и точности определения долей интерференционных полос. Использование, например, стандартного прибора Zygo на базе интерферометра Физо с λ 632 нм, с точностью измерения интерференционной полосы до l/60, толщиной плоскопараллельного исследуемого образца 1 мм и n₀ 1• 51831, измеренного с помощью стандартного рефрактометра Пульфриха на поверхности исследуемой пластины с точностью до 1•10^-5, дает погрешность измерения значения показателя преломления в произвольной точке образца с градиентом показателя преломления не хуже 2•10^-5.The accuracy of determining the refractive index depends on the thickness of the test sample and the accuracy of determining the fractions of interference fringes. Using, for example, a standard Zygo instrument based on a Fizeau interferometer with λ 632 nm, with an accuracy of measuring the interference band up to l / 60, a thickness of a plane-parallel test sample 1 mm and n ₀ 1 • 51831, measured using a standard Pulfrich refractometer on the surface of the test plate with accurate to 1 • 10 ^-5 , gives an error in measuring the value of the refractive index at an arbitrary point in the sample with a gradient of the refractive index not worse than 2 • 10 ^-5 .

Claims (1)

Интерференционный способ измерения показателя преломления в образцах с градиентом показателя преломления, включающий освещение исследуемого образца, выполненного в виде плоскопараллельной пластины, пучком монохроматического излучения, формирование интерференционной картины двумя отраженными пучками, один из которых проходит через образец, и регистрацию этой интерференционной картины, отличающийся тем, что освещающий пучок делят на два пучка с помощью интерферометра, один из пучков направляют через образец на одно из зеркал интерферометра, выполненное в виде двух зеркал, установленных под углом 90^o друг к другу, что обеспечивает однократное прохождение этого пучка через образец, а другой пучок отражают от другого зеркала интерферометра, формируют интерференционную картину полос равной толщины этими двумя пучками, измеряют координаты интерференционных полос в ней с последующим расчетом показателя преломления по формуле
n(x)=λ/d•Δk(x)+n_o,
где n(x) зависимость показателя преломления от координаты;
λ - длина волны монохроматического света;
d толщина пластины;
ΔK(x) - зависимость разности порядков интерференции между точками с координатами x и x₀ от координаты x;
n₀ известный показатель преломления в точке x₀.The interference method of measuring the refractive index in samples with a gradient of the refractive index, including illuminating the test sample made in the form of a plane-parallel plate with a beam of monochromatic radiation, forming an interference pattern with two reflected beams, one of which passes through the sample, and recording this interference pattern, characterized in that the illuminating beam is divided into two beams using an interferometer, one of the beams is sent through the sample to one of the inter rometra configured as two mirrors mounted at an angle of 90 ^o to each other, which provides a single pass of the beam through the sample, and the other beam is reflected from the other interferometer mirrors form an interference pattern of bands equal to the thickness of the two beams is measured coordinates of the interference fringes in her with the subsequent calculation of the refractive index by the formula
n (x) = λ / d • Δk (x) + n _o ,
where n (x) is the dependence of the refractive index on the coordinate;
λ is the wavelength of monochromatic light;
d plate thickness;
ΔK (x) is the dependence of the difference in the orders of interference between points with coordinates x and x ₀ on the coordinate x;
n _{0 is the} known refractive index at x ₀ .