SU1562791A1 - Method of measuring refraction index of heterogeneous materials - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к оптике, а именно к экспериментальным способам измерени  показател  преломлени  оптических материалов. Перед началом измерений осуществл етс  калибровка значений эффективных показателей преломлени  резонансных мод оптического планарного волновода. Использу  калиброванный планарный волновод с известными значени ми эффективных показателей преломлени  на длине волны зондирующего излучени  с помощью вводной призмы св зи, изготовленной из исследуемого материала с неизвестным показателем преломлени , измер ют два резонансных угла возбуждени  волноводных мод одинаковой пол ризации и по соответствующей формуле определ ют искомый показатель преломлени . 1 ил.The invention relates to optics, in particular to experimental methods for measuring the refractive index of optical materials. Before the measurements, the values of the effective refractive indices of the resonant modes of the optical planar waveguide are calibrated. Using a calibrated planar waveguide with known effective refractive index values at the wavelength of the probing radiation using an input coupling prism made of the material under study with an unknown refractive index, two resonant angles of excitation of the waveguide modes of the same polarization are measured and the desired value is determined using the appropriate formula refractive index. 1 il.

Description

Изобретение относитс  к оптике, а именно к экспериментальным способам определени  показател  преломлени  оптических материалов.The invention relates to optics, in particular to experimental methods for determining the refractive index of optical materials.

Целью изобретени   вл етс  ускорение процесса измерений.The aim of the invention is to accelerate the measurement process.

На чертеже представлена схема устройства дл  реализации способа.The drawing shows a diagram of the device for implementing the method.

Устройство содержит источник 1 направленного монохроматического излучени , поворотный столик с калибровочной шкалой с неподвижной частью 2 и подвижной частью 3, волноводный слой 4, подложку 5, входную призму 6 св зи с неизвестным показателем преломлени , выходную призму 7 св зи и фотодетектор 8.The device contains a source 1 of directional monochromatic radiation, a turntable with a calibration scale with a fixed part 2 and a moving part 3, a waveguide layer 4, a substrate 5, an input coupling prism 6 with an unknown refractive index, an output coupling 7, and a photodetector 8.

Способ осуществл ют следующим оо- разом.The method is carried out as follows.

Из исследуемого материала изготавливаетс  входна  призма св зи волновода с двум  обработанными гран ми.. Дл  измерений используетс  калиброван ный планарный оптический волновод с двум  известными значени ми эффективных показателей преломлени  волновод- ных мод одинаковой пол ризации nm и пГП4. . Одна из обработанных граней исследуемой призмы прижимаетс  к калиброванному волноводу и обеспечиваетс  св зь с ним, а на другую обработанную грань направл етс  коллимиро- ванный луч света зондирующего монохроматического излучени . Далее с помо ЛAn input prism of a waveguide connection with two processed faces is made of the material under study. For measurements, a calibrated planar optical waveguide with two known values of the effective refractive indices of waveguide modes with the same polarization nm and pgp4 is used. . One of the processed faces of the prism to be tested is pressed against the calibrated waveguide and connected with it, and a collimated light of the probing monochromatic radiation is directed to the other processed face. Next with pom L

35 Э 35 Oe

soso

щью поворотного столика и фотодетектора измер ютс  два резонансных угла падени  оЈти tim+,Ha входную грань призмы, соответствующие возбуждению волновода на калиброванных модах и определ етс  искома  величина показател  преломлени  призмы Пр на длин волны зондирующего излучени .By measuring the rotary table and the photodetector, two resonant angles of incidence of tim +, Ha are measured. The input face of the prism corresponds to the waveguide excitation on the calibrated modes and determines the desired refractive index value of the prism Pr at the wavelength of the probing radiation.

Соотношение, св зывающее значение эффективного показател  преломлени  nm волноводной моды с показателемThe ratio connecting the effective refractive index nm of the waveguide mode with

преломлени  п. видrefraction

вводной призмы, имеетintroductory prism, has

Знак (+) беретс , когда падающий луч лежит между основанием призмы и нормалью к грани, а знак (-) имеем, когда в той же области лежит отраженный луч.The (+) sign is taken when the incident beam lies between the base of the prism and the normal to the face, and we have the (-) sign when the reflected beam lies in the same area.

Дл  многомодового волновода с числом резонансных мод М5 2 дл  Моды с индексом m выражение (1) примет видFor a multimode waveguide with a number of resonant modes M5 2 for a mode with index m, expression (1) takes the form

nm n sin A ± arcsinC Jn.) , (2) г Jnm n sin A ± arcsinC Jn.), (2) g J

а дл  моды с индексом m + 1but for mode with index m + 1

nm npsin A ± arcsin(-),(l) 15nm+( npsin A±arcsin(-)j.(3)nm npsin A ± arcsin (-), (l) 15nm + (npsin A ± arcsin (-) j. (3)

где А - угол между основанием и входной гранью призмы;where A is the angle between the base and the entrance face of the prism;

т угол падени  на входную грань20 призмы.t is the angle of incidence on the entrance facet 20 of the prism.

г .г,gg

nm+sinoit«nmsinoim (n )+(sinVm+sinVh,t1)J (nmsin oЈw- nmtsintfm+( 7nm + sinoit "nmsinoim (n) + (sinVm + sinVh, t1) J (nmsin oЈw- nmtsintfm + (7

Ј-2 5)Ј-2 5)

(nm -nm+1 ) + (sino -sin cЈm.,}(nm -nm + 1) + (sino -sin cЈm.,}

12 (nmsinoin, - nr12 (nmsinoin, - nr

Волновод калибруетс  с помощью призмы, показатель преломлени  которого известен с высокой точностью (не хуже ). Оптическим материалом дл  этих целей может служить набор разных марок т желого флинта (например, ТФ-5 с n f,). Набор эффективных показателей преломлени  волновода nm этим способом можно определить с точностью +1-1 (Г . The waveguide is calibrated using a prism, the refractive index of which is known with high accuracy (not worse). A set of different grades of heavy flint (for example, TF-5 with n f,) can serve as an optical material for these purposes. The set of effective refractive indices of the waveguide nm can be determined in this way with an accuracy of + 1-1 (Г.

Калиброёку эффективных показателей преломлени  волновода п№ можно проводить с помощью рефрактометрического способа. В конкретном варианте реализации способа эталонные вводные призмы изготавливают из сверхт желого флинта марки ТФ-5, с помощью которых проводилась калибровка эффективных .показателей преломлени  планарного ионообменного оптического волновода в стекле марки К-8. Из кристаллов LiNbOj изготовл ют исследуемые призмы св зи. С их помощью на гониометре ГС-5 измер ют новые резонансные углы возбуждени  калиброванного волновода и по формуле С) определ ют искомые показатели преломлени  кристалла LiNbOj. Дл  одновременной проверки возможностей способа дл  измерени  поCalibration of the effective refractive indices of the waveguide n # can be performed using the refractometric method. In a specific embodiment of the method, reference introductory prisms are made from superfine flint of the TF-5 grade, with which the effective refractive indices of the planar ion-exchange optical waveguide in K-8 glass have been calibrated. Test prisms are made from LiNbOj crystals. With their help, the new resonant excitation angles of the calibrated waveguide are measured on the GS-5 goniometer and the desired refractive indices of the LiNbOj crystal are determined using formula C). To simultaneously check the capabilities of the method for measuring

Исключив из выражений (2) и (3) угол А, получаем формулу дл  расчета показател  преломлени  призмы в видеEliminating the angle A from expressions (2) and (3), we obtain the formula for calculating the refractive index of a prism in the form

111111

/4)/four)

.,.).,.)

5 050

5 Q 55 Q 5

казател  преломлени  малогабаритных оптических материалов исследуемые прчзмы из кристаллов LiNbO изготовл ют с линейными размерами менее 10 мм. В результате данной последовательности операций измерений на длине волны Д 0,6328 мкм получают значени  обыкновенного показател  преломлени  п0 2,2888 и необыкновенного показател  преломлени  п| 2,201.Refractor casters of compact optical materials The probes under study are made of LiNbO crystals with linear dimensions of less than 10 mm. As a result of this sequence of measurement operations at a wavelength of D 0.6328 µm, the values of the ordinary refractive index n0 2,2888 and the extraordinary refractive index n | 2,201.

Способ определени  показател  преломлени  прост и заключаетс  в измерении резонансных углов возбуждени  калиброванного волновода и вычислении неизвестного показател  преломлени  по формуле (4). В отличие от гониометрического способа, где угловые измерени  провод тс  с помощью наблюдени  совпадени  изображени  щели с нитью окул рного креста, в способе использование волноводной техники позвол ет измер ть резонансные углы вол- новодных мод регистрацией интенсивности света с помощью фотоприемника. Така  техника угловых измерений увеличивает быстродействие исследовани  дисперсии оптически неоднородных материалов . Проведение измерений на двух волноводных модах одной и тойThe method of determining the refractive index is simple and consists in measuring the resonant angles of excitation of a calibrated waveguide and calculating the unknown refractive index by the formula (4). Unlike the goniometric method, where the angular measurements are carried out by observing the image of the slit with the filament of the ocular cross, in the method using waveguide techniques, it is possible to measure the resonance angles of the waveguide modes by recording the light intensity using a photodetector. Such an angular measurement technique increases the speed of investigation of the dispersion of optically inhomogeneous materials. Measurements at two waveguide modes of the same

же пол ризации позвол ет исключить угол А между входной гранью и основанием исследуемой призмы, что приводит к уменьшению операций угловых измерений и к дополнительному уменьшению времени процесса измерений. Особенно использование волноводной техники 9ка зываетс  эффективным дл  обеспечени  процесса измерени  показател  преломлени  в невидимой области спектра. Так как угловые измерени  основаны на регистрации резонансных углов возбуждени  волновода, поэтому качество обработки граней вводной призмы не существенно дл  процесса измерений, что важно дл  м гких трудно обрабатываемых оптических материалов. Снижение требований к оптической обработке призмы и обеспечение процесса измерений показател  преломлени  оптически неоднородных материалов в невидимой области спектра позвол ют эффективно использовать его дл  измерени  дисперсии таких трудно обрабатываемых оптически неоднородных материалов, как сверхт желые флииты с п 2,0-2,3 и халькогенидные стекла с п 2, Врем  измерени  показател  преломлени  оптических материалов с помощьюThis polarization eliminates the angle A between the entrance face and the base of the prism under investigation, which leads to a decrease in the angular measurement operations and to an additional decrease in the measurement process time. Especially the use of waveguide technology 9 is effective for providing a process for measuring the refractive index in the invisible spectral region. Since the angular measurements are based on the registration of the resonant angles of excitation of the waveguide, therefore, the quality of the processing of the edges of the input prism is not essential for the measurement process, which is important for soft, difficult to process optical materials. Reducing the optical processing requirements of the prism and ensuring the measurement process of the refractive index of optically inhomogeneous materials in the invisible spectral region allows it to be effectively used to measure the dispersion of such difficult-to-process optically inhomogeneous materials, such as superfluid phliites with n 2.0-2.3 and chalcogenide glasses with p 2, Measurement time of the refractive index of optical materials using

62791б62791b

способа на длине волны О-,6328 мкм равно 15 мин, вместо нескольких часов в случае измерений гониометрическим способом.method at a wavelength of O-, 6328 microns is 15 minutes, instead of several hours in the case of measurements by the goniometric method.

00

5five

5five

00

Claims (1)

Формула изобретени Invention Formula Способ измерени  показател  преломлени  оптически неоднородных мате- риалов, включающий направление кол- лимированного монохроматического излучени  на исследуемый образец, выполненный в виде призмы, отличающийс  тем, что, с целью ускорени  процесса измерений, колли- мированное монохроматическое излучение направл ют на призму, оптически св занную с пленарным оптическим волноводом с известными значени ми двух эффективных показателей преломлени  nm и nm+1) возбуждают в нем две волноводные моды монохроматического излучени , соответствующие известным значени м эффективных показателей преломлени  планарного волновода, определ ют резонансные углы сЈт и оЈцц«, возбуждени  этих волноводных мод и рассчитывают величину искомого показател  преломлени  пр по формуле IA method for measuring the refractive index of optically inhomogeneous materials, including the direction of collimated monochromatic radiation to a sample under investigation, made in the form of a prism, characterized in that, in order to accelerate the measurement process, the collimated monochromatic radiation is directed to a prism that is optically coupled with a plenary optical waveguide with known values of two effective refractive indices, nm and nm + 1), it excites two waveguide modes of monochromatic radiation, corresponding to the known values of the effective refractive indices of the planar waveguide, determine the resonance angles c and c, excite these waveguide modes, and calculate the value of the desired refractive index pr by formula I «4"four