Способ поверки поляриметра с вращающимся анализатором

 

Изобретение может быть использовано при метрологическом обеспечении поляризационно-оптических исследований с использованием поляриметров с вращающимся анализатором. Цель изобретения - повышение точности поверки и расширение класса поверяемых поляриметров. Введение в поляриметр изотропного эталонного образца с модуляцией интенсивности позволяет поверять поляриметры со сходящимся световым пучком.

C0lO3 СОВЕЧ СКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

lsl>S 6 01 J 4/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 @ц

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ 1 и

6ЙБР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4680139/25 (22) 18;04.89 (4б) 23.12.91. Бюл. ¹ 47 (72) В.А. Крылов (53) 535.8(088.8) (5б) Средства измерений образцовые. ГОСТ

8.382 †.

Пластинки поляриметрические. ГОСТ

22409-77. (54) СПОСОБ ПОВЕРКИ ПОЛЯРИМЕТРА С

BРАЩАЮЩИМСЯ АНАЛИЗАТОРОМ

Изобретение относится к метрологии и может быть использовано при метрологическом обеспечении поляризационно-оптических исследований с использованием поляриметров с вращающимся анализатором.

Метрологическое обеспечение измерений является важнейшей составной частью процессов технологического контроля, Одним из эффективных способов контроля параметров материалов и иэделий является поляризационно-оптический метод, основанный на использовании полярископа с вращающимся анализатором и находящий все более широкое распространение в различных областях науки и техники.

Известен способ калибровки и поверки поляриметров, основанный на введении в поляриметр эталонного образца (ЭО) с известной разностью хода и сравнении ее с измеренной величиной. Этот способ настолько очевиден, что нигде не описан и базируется на общих принципах поверки

„,!Ж„„17ОО388 А1 (57) Изобретение может быть использовано при метрологическом обеспечении поляризационно-оптических исследований с использованием поляриметров с вращающимся анализатором. Цель иэобретения— повышение точности поверки и расширение класса поверяемых поля риметров. В ведение в поляриметр изотропного эталончого образца с модуляцией интенсивнос1и позволяет поверять lloflApMMGTpbl co сходящимся световым пучком, средств измерений, заключающихся в измерении характеристик ЭО.

Недостатки этого способа состоят в следующем. ЭО для поляризационных измерений представляет собой пластинку иэ монокристаллического кварца, который, являясь одноосным кристаллом, обладает естественным двулучепреломлением, Характеризующая ЭО разность хода д, указан-, С ная в его паспорте, определяется для 6д конкретнойдлины BoflHbl lp монохроматиче- ОО ского излучения; проходящего сквозь ЭО Q() перпендикулярно его поверхности, Однако во многих случаях применения поляриметров для контроля свойств . материалов требуется локальность контроля (например, при производстве микросхем), обеспечить которую можно лишь фокусируя зондирующее излучение на обьект контроля. Это означает, что зондирующее излучение представляет собой сходящийся пучок с достаточно большим углом сходимости, Вводя в такой пучок ЭО, получим непредсказуемый

1700388 где r< >юг. 45

Физическая сущность способа в следующем, 9 поляриметрес вращающимся анализатором зондирующее излучение поляризовано по кругу, поэтому при любом положении вращающегося с частотой в =2лf анализатора, интенсивность света I, прошедшего сквозь него, одинакова, и переменная со, ставляющая интенсивности ЛI =. О. При введении в поляриметр объекта, обладающего 55 естественным или вынужденным двулучепреломлением, прошедшее сквозь этот объект излучение становится, в общем случае, эллиптически поляризованным. В этом слурезультат измерений, поскольку для лучей, проходящих сквозь ЭО под различными углами, будут различаться как длина пути сквозь ЭО, так и оптические свойства ЭО в силу его оптической анизотропии. Введение расчетных поправок на сходимость пучка практически нереально, поскольку, помимо очевидной сложности этой задачи, для ее решения необходимо знать распределение интенсивности излучения по сечению пучка, Погрешность измерений д в ЭО, обусловленная сходимостью зондирующего излучения, может достигать десятков процентов, Кроме того, в случае отличия длины волны зондирующего излучения поляриметра

1 от 2, для которой определена разность хода 30, необходимо пересчитывать величину д для новой А с учетом дисперсии показателей преломления 30, что также вносит погрешность в измерения.

Цель изобретения — повышение точности поверки и расширение класса поверяемых поляриметров за счет поляриметров со сходящимся световым пучком.

Для достижения поставленной цели в способе поверки йоляриметра с вращающимся анализатором, включающем введение в поляриметр эталонного образца и регистрацию полной интенсивности 1 зондирующего светового луча, прошедшего вращающий анализатор, а также ее переменной составляющей Л 1 на удвоенной частоте вращения анализатора, в поляриметр поочередно вводят два изотройных эталонных образца с известными коэффициентами пропускания t> и гг соответственно, с частотой чередования, равной удвоенной частоте вращения анализатора, и судят о погрешности Л измерений поляриметра по величине разности т! — т г Л1 (1)

t1 I

40 чае интенсивность света, прошедшего вращающийся анализатор, достигает максимума, когда ось пропускания анализатора совпадает с большой осью эллипса поляризации, и минимума при совпадении оси анализатора с малой осью эллипса поляризации. 8 результате интенсивность прошедшего вращающийся анализатор света оказывается промодулированной с частотой 2f, причем глубина модуляции Л1/1 связана с величиной двулучепреломления, характеризуемой разностью хода д, соотношением — =я!пд

Л! ! (2)

Таким образом, введение в поляриметр двулучепреломляющего обьекта приводит к модуляции интенсивности света, прошедшего вращающийся анализатор, и измерение двулучепреломления д сводится к измерению величины А! /1. Поэтому ЭО двулучепреломления, характеризующийся величиной д, можно заменить изотропным

ЭО,создающим модуляцию интенсивности зондирующего излучения Л1/1, связанную с величиной д соотношением (2), Допустимость такой замены прямого измерения на косвенное подтверждается тем что в отсутствие ЭО поверку проводят методом косвенных измерений при помощи образцовых средств измерений, хранящих единицы других физических величин, функционально связанных с воспроизводимой, Любые требуемые величины Л I/I можно получить вводя попеременно в поляриметр два изотропных эталонных образца, характеризующиеся коэффициентами пропускания т и тг соответственно, с частотой

N чередования 21, где 1 =, а в — круговая

2л частота вращения анализатора. При этом для 71 )Тг получим

Л I 9 - гг

l й! (3)

Описанный ЭО можно с высокой точностью аттестовать по величине т, Для реализации способа может быть использован 30, представляющий собой диск, половина которого характеризуется коэффициентом пропускания ц, а вторая половина — коэффициентом тг .

Указанный диск вводят в поляриметр таким образом, чтобы зондирующее излучение проходило сквозь диск перпендикулярно его плоскости, не захватывая его центральную точку (ось вращения). Диск приводит во вращение с угловой частотой

2 м, где а — частота вращения анализатора.

При этом возникает модуляция интенсивно1700388 сти зондирующего излучения на частоте 2f, й) Л! где f = — -, Величину модуляции — реги2л Г стрируют и определяют погрешность поаеряемого прибора, . 5

Способ поверки поляриметра с вращающимся анализатором осуществляют следующим образом.

Частота вращения анализатора f =

2л

= 20 Гц.

Длина волны зондирующего излучения

Л = 1,15 мкм, угол его сходимости 2 у = 40O, диаметр в фокусе 50 мкм, Используемый для поверки эталонный образец в виде диска, 15 половины которого характеризуются соответственно коэффициентами пропускания т1 = 0,81 и e = 0,75, вращают с частотой 40

Гц. При этом регистрируют величину Л i/1 =

=7,7 10 . Затем определяют по формуле 20 (1) погрешность измерения, которая составляет

0,81 — 0,75 =7,7 10 2=03 10 2

0,71 что соответствует относительной погрешно- 25 сти измерений

O„3 10 »4, 7,7 10

Рассмотрим зависимость результатов 30 измерений величины двулучепреломления в образцовой поля риметрической пластине от угла сходимости зондирующего излучения поляриметра.

Поляриметрическая пластина вырезан- 35 ная из кристаллического кварца так, что оп.тическая ось кристалла совпадает с плоскостью пластины. Пусть толщина пластины d = 1мм, длина волны излучения Л =

= 0,63 мкм. Для этой Л показатели преломле- 40 ния кварца no = 1,542819 и пе = 1,551880, При прохождении излучением пластины в направлении, перпендикулярном ее плоскости, между компонентами излучения, поляризованными параллельно и перпен- 45 дикулярно оптической оси кристалла, возникает разность хода

d (пе no) = 0,00906 MM = 9,06 мкм.

Крайние лучи пучка с углом сходимости

2 у= 60 входят в пластину под углом 300. 50

Уравнение эллипса

+ — - 1.

2 2

Координаты показателя преломления х = n cos30, у = и В!п30

Получаем

no ne

30 + n 2 . В п2 30 = 1,5496, Длина пути L луча в пластине

1 = =1,155, d

cos 30

После прохождения пластины между двумя рассматриваемыми компонентами луча возникает разность хода;

L(n — по) = 0,00785 мм = 7,85 мкм, Отсюда видно различие в двухлучепреломлении лучей, распространяющихся по нормали к пластине и отклоненных на 30 .

Для вычисления интегрального двулучепреломления во всем сходящемся пучке необходимЬ произвести расчет по указанным формулам для всех углов в интервале от 0 до

30 и проинтегрировать результат с учетом распределения плотности энергии по сечеwe пучка, что практически невыполнимо в каждом конкретном случае при поверке поляриметров выполнены без учета изменения направления распространения луча при входе его в пластинку за счет преломления; учет этого явления приводит к еще большему усложнению и без того сложной задачи), Из приведенного примера видно, что эталонные пластины, изготовленные из анизотропных кристаллов, не могут применяться для поверки поляриметров с непараллельным световым пучком.

Таким образом, использование способа поверки поляриметров с вращающимся анализатором обеспечивает по сравнению с известными способами явные преимущества, Формула изобретения

Способ поверки поляриметра с вращающимся анализатором, включающий введение в поляриметр эталонного образца и регистрацию полной интенсивности зондирующего светового луча, прошедшего вращающийся анализатор, а также ее переменной составляющей Л1 на удвоенной частоте вращения анализатора, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности поверки и расширения класса поверяемых поляриметров на поляриметры со сходящимся световым пучком, в поля риметр вводят изотрспный эталонный образец с известным коэффициентом пропускания t), заTGM ВВОдят ВтОрОи изотропный эталонный образец с коэффициентом пропускайия т2, причем образцы чередуют с частотой, равной удвоенной частоте вращения анализатора, и определяют погрешность Ьизмерений поляриметра из соотношения т - Т2 h l

ПРИЧЕМ Г Т2 .