SU1762206A1 - Device for measurement of photoelastic constant materials - Google Patents

Abstract

Использование: в фотоэлектронной технологии , при производстве интегрально-оптических , акустооптических устройств и исследовании пленочных волноводов. Сущность: предложенное устройство включает измерительную призму, наход щуюс  в контакте с волноводом, двух оптических каналов , посредством которых при различных механических нагрузках материала волновода можно наблюдать и полосы равной толщины в контакте,и картины темных т-линий, возникающих в отраженном свете за счет ввода определенных угловых компонентов подающего света в волновод. Применение призмы с разделительной паковкой и двух типов нижерзсположенных жидкостей дл  двух каналов повышает контраст и точность измерений.3 ил.Usage: in photoelectronic technology, in the manufacture of integrated optical, acousto-optic devices and the study of film waveguides. Essence: the proposed device includes a measuring prism that is in contact with the waveguide, two optical channels, by means of which at different mechanical loads of the waveguide material one can observe both strips of equal thickness in contact, and dark t-line patterns appearing in reflected light due to input certain angular components of the input light into the waveguide. The use of a prism with a separating package and two types of low-lying liquids for two channels improves contrast and measurement accuracy. 3 sludge.

Description

Изобретение относитс  к оптике, аку- стооптике и может использоватьс , в частности , при определении физических характеристик новых оптических и акустооптических материалов, примен ющихс  в планарной технологии, исследовании пла- нарных оптических элементов, в которых в процессе работы наводитс  искусственна  анизотропи , определении величины механических напр жений, присутствующих в поверхностных сло х.The invention relates to optics, aero-optics and can be used, in particular, in determining the physical characteristics of new optical and acousto-optic materials used in planar technology, the study of planar optical elements in which artificial anisotropy is induced during operation, the determination of mechanical stresses present in the surface layers.

Известна устройство в виде рефрактометра ИРФ-23 дл  измерени  показател  преломлени  (ПП) материала поверхностного волноводного сло  образца. Устройство содержит монохроматический источник света , пол ризатор, объектив, измерительную призму, угломерное устройство, св занное со зрительной трубой. Между образцом и измерительной призмой помещена иммерсионна  жидкость, В устройстве свет вводитс  в голноводный слой через торец, а выводитс  измерительной призмой. Однако такое устройство не позвол ет измер ть изменение ПП материала волноводного сло , вызванного приложенным к нему известным одноосным механическим напр жением .A known device in the form of an IRF-23 refractometer for measuring the refractive index (PP) of the material of the surface waveguide layer of the sample. The device comprises a monochromatic light source, a polarizer, an objective lens, a measuring prism, an angle meter connected to a telescope. An immersion liquid is placed between the sample and the measuring prism. In the device, light is introduced into the hollow-water layer through the end, and output by the measuring prism. However, such a device does not allow measuring the change in the PP of the waveguide layer material caused by the known uniaxial mechanical stress applied to it.

Известно устройство дл  измерени  фотоупругих посто нных оптических материалов , собранное по принципу интерференционной установки, в которой к образцу приложен известный изгибающий момент. Устройство  вл етс  сложным и громоздким , Оно не позвол ет измер ть фотоупругие посто нны в поверхностных сло х толщиной менее 100 мкм из-за размыти  интерференционной картины вследствие дифракции света на краю образца. Если поверхностный слой имеет градиент ПП в поXJA device for measuring photoelastic permanent optical materials, assembled according to the principle of an interference setup, in which a known bending moment is applied to a sample, is known. The device is complex and cumbersome. It does not allow measuring photoelastic constants in surface layers with a thickness of less than 100 microns due to blurring of the interference pattern due to diffraction of light at the edge of the sample. If the surface layer has a gradient of PP in XX

ГО ГО ОGO GO

QsQs

перечном направлении, то при распространении света вдоль сло  на рассто ние 2-3 мм, становитс  невозможно идентифицировать интерференционные полосы в картине интерференции опорного и предметного пучков.If the light propagates along the layer at a distance of 2–3 mm, it becomes impossible to identify interference fringes in the interference pattern of the reference and object beams.

Наиболее близким по технической сущности  вл етс  устройство дл  измерени  фотоупругих посто нных оптических материалов . Устройство содержит источник монохроматического излучени , коллиматор, блок приложени  одноосного механического напр жени  к образцу, измеритель механических усилий, угломерное устройство, св занное со зрительной трубой дл  наблюдени  света, прошедшего через образец. Образец выполнен в виде пр мой треугольной призмы. Однако приведенное устройство не позвол ет вводить свет в волноводный слой и выводить из него. Таким образом, устройство не позвол ет провести зондирование светом волноводного сло  с целью измерени  изменени  ПП этого сло  под воздействием механического напр жени .The closest in technical essence is a device for measuring photoelastic permanent optical materials. The device contains a source of monochromatic radiation, a collimator, a unit for applying uniaxial mechanical stress to the sample, a mechanical force meter, an angle meter connected to a telescope to observe the light transmitted through the sample. The sample is made in the form of a straight triangular prism. However, the illustrated device does not allow light to be introduced into and out of the waveguide layer. Thus, the device does not allow probing with light of the waveguide layer in order to measure the change in the PP of this layer under the influence of mechanical stress.

Целью изобретени   вл етс  измерение фотоупругих посто нных материалов поверхностных волноводных слоев. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройстве дл  измерени  фотоупругих посто нных материалов, содержащем источник монохроматического излучени , коллиматор , пол ризатор, блок приложени  известного одноосного механического напр жени  к образцу, измеритель угла выхода луча из образца дополнительно содержитс , установленный на образце призменный элемент св зи с разделительной канавкой, ориентированной по направлению распространени  излучени , по обе стороны которой помещены иммерсионные жидкости с показател ми преломлени  ги иThe aim of the invention is to measure photoelastic permanent materials of the surface waveguide layers. The goal is achieved by the fact that in a device for measuring photoelastic permanent materials containing a source of monochromatic radiation, a collimator, a polarizer, a unit for applying a known uniaxial mechanical stress to a sample, a beam angle meter from the sample further contains a prism element mounted on the sample zi with a separation groove oriented in the direction of propagation of radiation, on both sides of which immersion liquids with refractive indices are placed gi and

Л2L2

ni ns, (1)ni ns, (1)

па n cos р(пр2 - п2 + n2 sin2 ,pas n cos p (n2 - n2 + n2 sin2,

31 Л2 /)31 L2 /)

1/21/2

где n, ns. П) - показатели преломлени  материалов сло  подложки и призменного элемента св зи соответственно, (р угол падени  света на границу призменный элемент иммерсионна  жидкость. В предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом содержитс  дополнительно призменный элемент св зи, который приводитс  в контакте измер емым образцом. На поверхности призменного элемента, обращенной к поверхности образца, выполнена канавка, дел ща  рабочую поверхностьwhere n, ns. P) is the refractive indices of the materials of the substrate layer and the prism element of communication, respectively (p is the angle of incidence of light on the boundary of the prism element immersion liquid. In the proposed device, in comparison with the prototype, there is an additional prism element of communication that is brought into contact with the measured sample. the surface of the prism element facing the sample surface is grooved, sharing the working surface

призмы на две равные части. Такой вид призменного элемента св зи позвол ет ввести в зазор между волноводом и призмой две иммерсионные жидкости с различнымиprism into two equal parts. This type of prism coupling element allows two immersion liquids with different types to be introduced into the gap between the waveguide and the prism.

ПП, Канавка преп тствует перемешиванию жидкостей при изгибе образца во врем  его нагружени .PP, Groove prevents mixing of liquids during bending of the specimen during loading.

При возбуждении волноводных мод с помощью призменного элемента св зи через воздушный зазор создаетс  большое механическое давление на волновод со стороны призмы , прижимаемой к волноводу, с максимумом нагрузки в п тне возбуждени . Вследствие локального фотоупругого эффекта может возникнуть искажение эффективных ПП измер емых волноводных мод. Дл  того, чтобы обеспечить минимальное усилие прижима призмы к волноводу, при котором сохран етс  четка  видимость темных m - линий в зрительную трубу, ПП иммерсионной жидкости подбирают равным ПП материала подложки гн DS.When waveguide modes are excited using a prism coupling element through the air gap, a large mechanical pressure is created on the waveguide from the side of the prism pressed against the waveguide, with a maximum load on the excitation spot. Due to the local photoelastic effect, a distortion of the effective SC of the measured waveguide modes may occur. In order to ensure the minimum clamping force of the prism to the waveguide, which maintains a clear visibility of dark m - lines in the telescope, the PT of the immersion liquid is chosen equal to the PP of the substrate material DS DS.

При введении призменного элемента св зи в контакт с волноводом и при приложении к образцу изгибающего момента зазор между призмой и волноводом, заполненный иммерсионной жидкостью, становитс  не плоскопараллельным. О величине и направлении клина суд т по количеству и направлению полос равной толщины в картине интерференции получаемой при отражении света от системы призма-слой иммерсионной жидкости - волновод. Максимальный контраст интерференционнойWhen a prism coupling element is brought into contact with a waveguide and when a bending moment is applied to a sample, the gap between the prism and the waveguide, filled with an immersion liquid, becomes non-plane-parallel. The size and direction of the wedge is judged by the number and direction of the strips of equal thickness in the interference pattern obtained by the reflection of light from a prism-system of an immersion fluid — a waveguide. Maximum contrast interference

картины будет обеспечен при выполнении соотношени  (2), при этом коэффициент отражени  от системы призма-зазор, заполненный иммерсионной жидкостью с ПП, равным П2, - волноводный слой при некоторых толщинах зазора равен нулю. Величина угла а клина иммерсионной жидкости рассчитываетс  по формулеthe picture will be provided when the relation (2) is fulfilled, while the reflection coefficient from the system is a prism-gap filled with an immersion liquid with a PP equal to П2, the waveguide layer at some thickness of the gap is zero. The magnitude of the wedge angle a of the immersion fluid is calculated by the formula

a arcsma arcsm

КАKa

2Л22Л2

(3)(3)

где К - число интерференционных полос; А- длина стороны клина,Полосы при этом располагаютс  параллельно ребру клина. Сwhere K is the number of interference fringes; A is the length of the side of the wedge. The strips are arranged parallel to the wedge edge. WITH

50 целью параллельного выполнени  измерений m - спектра волновода и контрол  за клиновидностью зазора и таким образом одновременного использовани  двух разных иммерсионных жидкостей дл  предотв55 ращени  их смешивани  на рабочей поверхности измерительной призмы изготовлена цилиндрическа  канавка, расположенна  параллельно плоскости падени  света и дел ща  рабочую поверхность призмы на две равные части При этом одна половина призмы (иммерсионна  жидкость в зазоре с ПП, равным ги используетс  дл  измерени  ПП волноводных мод), а втора  (иммерсионна  жидкость в зазоре с ПП. рав- ным П2) дл  контрол  за величиной и направлением клина в зазоре. Указанное выше направление канавки на поверхности призмы позвол ет добиватьс  наблюдени  интерференционной полосы наибольшего пор дка при меньших величинах угла при вершине клина путем использовани  максимального размера зоны контакта призма - волновод. Например, если П2 1,58, то при угле клина 6,5 полоса 2-го пор дка возника- ет на рассто нии I - 10 мм от вершины клииг ДЛР длины волны 0,5 мкм. При по влении полос интерференции, пересекающих плоскость падени  света,необходимо механической корректировкой прижима призменного элемента св зи к волноводно- МУ слою добитьс  исчезновени  этих линий50 with the aim of parallel measurement of the waveguide spectrum and control of the gap wedge shape and thus simultaneous use of two different immersion liquids to prevent mixing from mixing on the working surface of the measuring prism a cylindrical groove is made parallel to the plane of incidence of the light and dividing the working surface of the prism into two equal parts. One half of the prism (the immersion fluid in the gap with a PI equal to g is used to measure the waveguide PP of the waveguide modes), and the second (Immersion liquid in the gap with PP. Equal to P2) to control the size and direction of the wedge in the gap. The aforementioned direction of the groove on the surface of the prism makes it possible to achieve observation of the interference band of the highest order at smaller values of the angle at the top of the wedge by using the maximum size of the prism-waveguide contact zone. For example, if P2 is 1.58, then at a wedge angle of 6.5, the 2nd order band appears at a distance I of 10 mm from the top of the CLI wavelength of 0.5 μm. When interference bands intersecting the plane of incidence of light appear, it is necessary to mechanically correct the clamping of the prism coupling element to the waveguide-MU layer to make these lines disappear.

На фиг. 1 представлен призменный элемент св зи; на фиг 2 и 3 - схема нагружающего устройства и оптическа  схема устройства соответственноFIG. 1 shows a prism communication element; Figures 2 and 3 are the loading device diagram and the optical device diagram, respectively.

Предлагаемое устройство содержит элемент св зи в виде призмы 1, в основании которой лежит трапеци  с одной боковой стороной, перпендикул рной ее основани-  м. На основании призмы (рабочей поверхности ) выполнена канавка 2, дел ща  згу поверхность на две равные части (поверхности ) 3, 4 Поверхность канавки имеет цилиндрическую форму. Призма 1 прижата к образцу 5 контактным устройством 6, Между призмой и образцом наход тс  иммерси- онные жидкости 7, 8 Нагружающее устройство состоит из жесткой рамы 9. упругого элемента 10, тензорезисторов11,на- гружающего винта 12, шарового шарнира 13, нагружающего элемента 14, штока 15. Оптическа  часть устройства содержит источник монохроматического излучени  16, делительный кубик 17, длиннофокусную линзу 18, поворотное зеркало 19, коллиматор 20, пол ризатор 21,поворотное зеркало 22, лупу 23, зрительную трубу 24. При помощи штока 15 нагружающее устройство может быть установлено на рефрактометре 1/1РФ-23, модифицированна  зрительна  труба которого используетс  дл  наблюдени  m-линий ВОЛНОВОДНЫУ мод и выполнени  измерений.The proposed device contains a communication element in the form of a prism 1, at the base of which lies a trapezoid with one side, perpendicular to its base. On the basis of the prism (working surface) there is a groove 2, dividing the surface into two equal parts (surfaces) 3, 4 The groove surface has a cylindrical shape. The prism 1 is pressed to the sample by a 5 contact device 6. Immersion liquids 7, 8 are located between the prism and the sample. The loading device consists of a rigid frame 9. an elastic element 10, resistance strain gages 11, a loading screw 12, a ball joint 13, a loading element 14 rod 15. The optical part of the device contains a source of monochromatic radiation 16, a dividing cube 17, a long-focus lens 18, a turning mirror 19, a collimator 20, a polarizer 21, a turning mirror 22, a magnifying glass 23, a telescope 24. With the help of a rod 15 a loading device o can be set to 1 refractometer / 1RF-23, a modified telescope which is used for observation of m-lines VOLNOVODNYU modes and performing measurements.

Предлагаемое устройство работает еле- дующим образом. Коллимирочанный пучок от источника мокохоомэтического излучени , 16 с длиной волны Я- 0.589 мкм делитс  кубиком 17 о два пучка равной интенсивности . Первый пучок через коллиматор 20,The proposed device works in the following way. A collimated beam from a source of cocomatic radiation, 16 with a wavelength I-0.589 µm, is divided into a cube of 17 o two beams of equal intensity. The first beam through the collimator 20,

пол ризатор 21 направл етс  на поверхность 4 с иммерсионной жидкостью 7 (т) под углом возбуждени  волноводных мод. Второй пучок через длиннофокусную линзу 18, поворотное зеркало 19, направл етсч на поверхность 3 с иммерсионной жидкостью 8 (ri2J. С помощью зеркала 22 и лупы 23 во втором пучке производитс  наблюдение интерференционных полос равной толщины, которые пересекают плоскость падени  света . Путем механической корректировки прижима призменного элемента св зи к волноводному слою добиваютс  исчезновени  полос интерференции. В первом пучке наблюдаютс  темные m-линии спектра волноводных мод. В зрительную трубу рефрактометра 24, соединенную с угломерным устройство производитс  измерение углов , под которыми видны m-линии, относительно перпендикул ра -к выходной грани призмы. После приложени  к образцу известного одноосного механического напр жени  а , повтор ют измерени , описанные выше. Погружение образца проводитс  с помощью винта 12 и нагружающего элемента 14. Датчик механических усилий состоит из упругого элемента 10, изготовленного из стали л накпсеьных на него 4-х фольговых гензорезисторов типа ФКГК. Тензорези- сторы окгючены то с/еме полного моста сопротивлений Сила тока разбаланса тен- зомоаа подаетс  на цифровой комбинированный прибор. Тензиэле ент калибруетс  с помощью образцовых гирь.The polarizer 21 is directed to the surface 4 with the immersion liquid 7 (t) at the angle of excitation of the waveguide modes. The second beam through the long-focus lens 18, the swiveling mirror 19, is directed to the surface 3 with the immersion liquid 8 (ri2J. With the help of the mirror 22 and the loupe 23 in the second beam, interference fringes of equal thickness are observed that intersect the plane of incidence of light. By mechanically adjusting the clamp prism element of communication to the waveguide layer, the disappearance of interference bands is achieved. In the first beam, dark m-lines of the waveguide mode spectrum are observed. In the telescope of the refractometer 24 connected to the angular angle The device measures the angles at which the m-lines are visible relative to the perpendicular to the output face of the prism. After applying a known uniaxial mechanical stress a to the sample, the measurements described above are repeated. The sample is immersed using a screw 12 and a loading element 14. The mechanical force sensor consists of an elastic element 10 made of 4-foil resistance strain gages of the FKGK type made of steel and applied to it. Strain gages are equipped with a full bridge of resistors. The unbalance current strength of the ten-homo is fed to a digital combination device. Tenzieleent is calibrated using sample weights.

Пример конкретного выполнени  устройства .An example of a specific implementation of the device.

Призменный элзмент св зи изготавливалс  из стекла ТК21 в виде призмы, в осно- вании которой лежит пр моугольный треугольник с углом 60°. Рабоча  поверхность призмы имела размеры 10x5 мм. Канавка имела цилиндрическую форму с радиусом 0,5 мм. Образцы изготавливались из стекла К8, в форме плоскопараллельных пластинок с размерами 100x10x2 мм. ПП материала на поверхности волноводного сло  равн лс  п 1,52569; пр 1,65680; ги 1,5630; па 1,58377; р 60°. Линза 18 имела фокусное рассто ние 50 см и освещала весь слой иммерсионной жидкости с ПП П2. Призменный элемент св зи с образцом и нагружающим устройством устанавливалс  на рефрактометре ИРФ-23. При этом ось вращени  зрительной трубы совпадала с поверхностью волноводного сло , бы-тз параллельна большому ребру образца и проходила через п тно возбуждени  волноводных мод. С целью получени  автоколлимационного изображени  от неизменногоThe prism coupling was made of TK21 glass in the form of a prism, the base of which is a right angle triangle with an angle of 60 °. The working surface of the prism was 10x5 mm. The groove had a cylindrical shape with a radius of 0.5 mm. The samples were made of K8 glass, in the form of plane-parallel plates with dimensions of 100x10x2 mm. The PP of the material on the surface of the waveguide layer is equal to n 1.52569; PR 1,65680; gi 1.5630; PA 1.58377; p 60 °. Lens 18 had a focal distance of 50 cm and illuminated the entire layer of immersion liquid with PP P2. The prism element of communication with the sample and the loading device was mounted on an IRF-23 refractometer. At the same time, the axis of rotation of the telescope coincided with the surface of the waveguide layer, would be parallel to the large edge of the sample and pass through the spot of excitation of the waveguide modes. In order to obtain an autocollimation image from unchanged

элемента св зи зрительна  труба рефрактометра жестко крепилась на переходнике, который устанавливалс  на прежнее место зрительной трубы,the communication element of the telescope refractometer was rigidly mounted on the adapter, which was installed on the former place of the telescope,

Таким образом, наличие в за вл емом устройстве призменного элемента св зи с канавкой на поверхности и двух иммерсионных жидкостей позвол ет измер ть фотоупругие посто нные материалов поверхностных волноводных слоев путем обеспечени  строго одноосного напр жени  раст жени  волноводного сло  при сохранении четкой картины темных m-лйний и исключени  искажени  результатов измерений , вследствие возникновени  клина иммерсионной жидкости в направлении распространени  света.Thus, the presence in the inventive device of a prism coupling element with a groove on the surface and two immersion liquids makes it possible to measure photoelastic permanent materials of the surface waveguide layers by ensuring strictly uniaxial tension of the waveguide layer while maintaining a clear picture of dark m-lines and eliminate distortion of the measurement results due to the wedge of the immersion liquid in the direction of light propagation.

Claims (1)

Формула изобретени  Устройство дл  измерени  фотоупругих посто нных материалов, содержащее последовательно расположенные и оптически св занные источник монохроматического света, пол ризатор, фокусирующую линзу, измерительную призму, измеритель угла выхода луча света из призмы и блок приложени  одноосного механического напр жени , отличающеес  тем, что. с целью измерени  фотоупругих посто нных волноводных слоев, сформированных на прозрачной подложке, на основании призмы выполнена разделительна  канавка, по обе стороны которой размещены иммерсионные жидкости с показател ми преломлени  m ns;Claims An apparatus for measuring photoelastic constant materials, comprising sequentially arranged and optically coupled source of monochromatic light, a polarizer, a focusing lens, a measuring prism, a meter for the output angle of a light beam from a prism, and a unit for applying uniaxial mechanical stress, characterized in that. In order to measure photoelastic permanent waveguide layers formed on a transparent substrate, a separating groove is made on the base of the prism, on either side of which immersion liquids with refractive indices m ns are placed; 02 n cos p(np2 - n sin2 р)1/2 +02 n cos p (np2 - n sin2 p) 1/2 + + n2sln2 ,+ n2sln2, где ns - показатель преломлени  подложки; п, Пр- показатели преломлени  материалов волноводного сло  и призмы соответственно;where ns is the substrate refractive index; n, Pr are the refractive indices of the materials of the waveguide layer and the prism, respectively; -угол падени  света на границу междуangle of incidence of light on the border between призмой и иммерсионной жидкостью,prism and immersion liquid призма установлена так, что ось канавки совпадает с направлением распространени  света, основание призмы пространственно совмещено с прозрачной подложкойthe prism is set so that the axis of the groove coincides with the direction of light propagation, the base of the prism is spatially aligned with the transparent substrate со стороны, на которой сформирован волно- водный слой, призма снабжена средством дл  регулировки клина, возникающего при указанном совмещении, при этом устройство дополнительно содержит оптическийon the side on which the waveguide layer is formed, the prism is provided with a means for adjusting the wedge that occurs at the specified alignment, and the device additionally contains an optical узел наблюдений интерференционных полос равной толщины в слое иммерсионной жидкости с показателем преломлени  П2.a node of observations of interference fringes of equal thickness in the layer of an immersion liquid with a refractive index of P2. Фиг.11 16 17 20 2t16 17 20 2t kx 4/ чУkx 4 / h 5 7,85 7.8 10 1110 11 WW 8eight