Устройство для определения показателя преломления

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскнх

Соцналнстнческнк

Республнк (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 170378 (21) 2592442/18-25 (51) M. Кл.

0 01 Л/ 21/46 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Государственный комитет

СССР ио делам изобретений и открытий

Опубликовано 2-50630. Бюллетень ¹ 23

Дата опубликования описания 2506.80 (53) УДК 535. 322. 4 (088.8) (72) Авторы изобретения

Н.К.Киселева и Б.Т.Коломиец (71) Заявитель

Ордена Ленина физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе

AH СССР (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ

Изобретение относится к устройствам для определения показателя преломления твердых тел, в частности показателя преломления полупроводников и диэлектриков.

Известен ряд устройств для определения показателя преломления на основе использования явления полного внутреннего отражения (ПВО).

Известно устройство, содержащее стеклянную полусферу с показателем преломления пт, укрепленную на штативе, зрительную трубу, поворачивающуюся вокруг горизонтальной оси, проходящей через центр полусферы, 15 измерителя угла поворота зрительной трубы, слой жидкости с показателем преломления n, расположенный между горизонтальной поверхностью полусферы и полированной поверхностью об- 20 разца, имеющего показатель преломления и, осветитель, дающий пучок сходящихся световых лучей, причем

n„>n > n fl).

Известно также устройство, содер- 25 жащее эталонную призму с показателем преломления n, зрительную трубу, измеритель угла поворота, осветительную систему, слой жидкости с показателем преломления п, помещенный ЗО между эталонной призмой и поверхностью образца, имеющего показатель преломления и, причем п > и > n (2) .

Недостаток описанных устройств состоит в том, что показатель преломления исследуемого вещества не может превосходить показатель преломления промежуточной жидкости, что ограни— чивает верхний предел измерений значением 2

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является устройство для измерения показателя преломления фотопроводящих материалов, содержащее образец иэ фоточувствительного материала в виде клина с преломляющим углом о(, меньшим угла IIBO с электродами, нанесенными на грань против преломляющего угла и по ребру преломляющего угла (3). При этом коэффициент поглощения материала образца удовлетворяет соотношению ((P-(СЛ ) ) ./Ь о((1) где К вЂ” коэффициент поглощения света в псследу мом веществе;

6 — протяженность электрода, нанесенного вдоль ребра преломляющего угла, и направле—

742777

40 гр птахп1 тип нии, перпендикулярном ребру; — преломляющий угол клина; .Д вЂ” длина нолны, соответствующая красной границе фотоэффекта;

С вЂ” константа.

Недостаток этого устройства состоит в том, что измерения можно производить только н ограниченной области

1 спектра, а именно в той области, где коэффициент поглощения исследуемого вещества удовлетворяет соотношению (1) и одновременно условию возникно: вения в образце фототока (т.е. на краю полосы поглощения при сравнительно слабых коэффициентах поглощения) . Измерения же в широкой области спектра, где вещество прозрачно и, .следовательно, нефоточувстнительно, посредством этого устройства производить нельзя, Цель изобретения — расширение спектрального диапазона измерения н область прозрачности вещес ва, где вещество нефоточувстнительно.

Возможность измерения показателя преломления вне зависимости от того, фоточунствителен исследуемый материал, или нет, позволяет также расширить круг измеряемых материалов за счет нефоточунствительных.

Поставленная. цель достигается тем, что в устройство для определения показателя преломления, содержащее образец н виде клина с преломляющим углом, меньшим угла ПВО, держатель образца, механизм вращения образца вокруг оси, сонпадающей по направле,нию с ребром преломляющего угла, измеритель угла гонорота образца, осветительную систему, дающую пучок п „заллельных световых лучей, перпендикулярный оси вращения, схему регистрации, введены приемник излуче. ния и светонепроницаемый экран, причем приемник излучения расположен за гранью против преломляющего угла об-. разца„ а экраном частично закрыты две другие грани, начиная от грани против преломляющего угла, при этом р /8+>) rnoxg(5 p!" п„,„! и тпсц(д,,; — 7) 2), образец имеет геометрические пара, метры, связанные с коэффициентом поглощения вещества образца в соответ. ствующем спектральном диапазоне со отношением

К < sin(9/ß ° с )/ЯР 5 п4 длина закрытой экраном части грани образца; длина всей грани образца; заданные верхний и нижний, соответственно, пределы измерения показателя преломления; преломляющий угол образ— ца; по 2 4

К коэффициент поглощения исследуемого вещества.

Кроме того, н устройство введена промежуточная среда с показателем преломления, удовлетворяющим соотно— шению п„ ) п, ) 1 где л„ вЂ” по к аз атель преломления мате— риала приемника излучения; и — показатель преломления промежуточной среды, и находящаяся н оптическом контакте с образцом по грани против преломляющего угла и приемником излучения.

На фиг. 1 приведена блок-схема уст устройства; на фиг. 2 — зависимость

/ /Р f(n „Ä) и P /f><=j(n, ) для устройстна.

В данном устройстве образец 1 с преломляющим углом 4 меньшим угла

ПВО, установлен в держателе 2, выполненном с возможностью освещения обеих боковых граней образца, образующих преломляющий угол. Посредством механизма вращения 3 осуществляв ется поворот образца вокруг оси, совпадающей по направлению с ребром преломляющего угла. Угол поворота измеряется измерителем угла понорота 4. Осветительная система 4 о6еспечинает освещение образца в процессе его вращения параллельным световым пучком, перпендикулярным оси вращения. На грани против преломпяющего угла расположен приемник излучения 6, который обеспечивает регистрацию светового потока, выходящего через грань против преломляющего угла, в выбранном спектральном диапазоне. Приемник включен и схему 7 регистрации зависимости тока от угла поворота образца. Кожух 8 защищает приемник излучения от паразитной подсветки. Светонепроницаемый экран 9 частично закрывает обе боковые грани. образца, начиная от грани против преломляющего угла, и оставляет открытой часть образца вблизи преломляющего угла.

Благодаря экрану н клин попадают только те световые лучи, которые, распространяясь н сторону грани против преломляющего угла, претерпевают не менее к отражений, где

УУ7= /80 — ЯО7С5/а (1и) ) 2 > (2) и которые при изменении угла падения света на образец от 0 до 90 претерпевают ПВО только на гранях образца, образующих преломляющий угол сС, а на грань против угла с(падают под углом, меньшим угла ПВО (это обеспечивает

Работу устройства н соответствии с положенным в его оснону принципом).

В связи с тем, что вещества обладают дисперсией, при измерении н широком спектральном диапазоне следует рассчитывать на изменение показателя преломления н определенных пределах.

742777

Поэтому размер экрана определяется наибольшим из двух соотношений

8 Е р 1- exp(- П,Пп /О,) 2дЕ По= 2 Ф (3)ц (g > Si nd. / (n, и — f)

9 2Р (4)

Соотношение (3) получено в результате графического построения в клине световых лучей, удовлетворяющих (2) и определения на основе этого построения /P в зависимости от и.

Соотношение (4) получено из усло— вия, что в клин не попадают световые лучи, которые падали бы на грань против преломляющего угла без отражений между гранями. !

Пс графикам зависимостей (3) и (4), приведенным на фиг..2, можно без вычисления сразу определить / 2 по заданным и и п ах miry

Поскольку световой поток на пути gp к грани против преломляющего угла должен многократно отразиться, то на приемник световой сигнал может поступить только в том случае, если свет не поглотится при распространении внутри образца. Это приводит при выборе спектрального интервала измерений к необходимости соблюдения в этом интервале определенного соотношения между коэффициентом поглощения вещества и геометрическими параМетрами образца, а именно

/ 3/П (2 С,) /Р2 5/П

Для увеличения полезного сигнала, в пространство между образцом и при35 емником излучения вводится промежуточная среда 10 с показателем преломления, большим 1 и меньшим показателя преломления приемника излучения, находящаяся с ними в оптическом кон- 4О такте, т.е. вместо воздушного зазора (показатель преломления воздуха = 1) между образцом и приемником излуче— ния оказывается среда с большим показателем преломления. 45

Устроиство работает следующим о бразом.

Часть образца 1, закрепленного в держателе 2, не закрытая экраном 9, освещена посредством осветительной. системы 5 . Часть свето воro потока, попадающая внутрь образца, выходит из него через грань против преломляющего угла, про ходит че ре з во з душный 55 зазор (либо через промежуточную сре— ду 10, находящуюся в оптическом контакте с образцом и приемником излучения), попадает в приемник излучения 6, защищенный от паразитной под- 6() светки кожухом 8. Схема регистрации

7 регистрирует зависимость тока приемника излучения ст угла поворота образца, вращаемого механизмом 3. Из— меритель угла поворота 4 измеряет минимальный угол поворота между двумя соседними скачками фототока, которые соответствуют моментам начала и окончания ПВО светового потока от граней, образующих преломляющий угол, что и требуется для определения показателяя преломления исследуемо ro вещества.

Работа предлагаемого устройства была проверена экспериментально путем измерения показателя преломления.

Аэ Б„в области длин волн 0,8-1, 4 мкм, > где невозможны измерения посредством устройства, взятого в качестве прототипа, так как As S в этой области не обладает фоточувствительностью.

Эффективность введения промежуточной среды для увеличения полезного си.гнала доказана экспериментально при измерении показателя преломления

As и GaAs. В случае As>S> в качестве промежуточной среды используют канадский бальзам (пср =1, 5), величина сигнала при этом возрастает в 2,7 раза. В случае GaAs в качестве промежуточной среды используют халькогенидное стекло Аэ Я 1 (показатель преломления больше 2) величина сигнала при этом вырастает в 4,7 раза по сравнению с сигналом, зарегистрированным при наличии между GaAs и приемником излучения воздушного промежутка.

Показатель преломления промежуточной среды должен быть меньше показателя преломления материала приемника излучения для того, чтобы на их . границе не возникало ПВО.

При введении промежуточной среды величина сигнала возрастает потому, что коэффициент отражения от границ образец-промежуточная среда и промежуточная среда-приемник излучения меньше, чем от границ образец-воздух и воздух-приемник излучения; предельный угол ПВО для границы образецпромежуточная среда больше, чем предельный угол ПВО для границы образец-воздух, в результате пц в выражении (3) увеличивается с 2, 4 до 2, 4псР поэтому необходимый в соответствии с (3) размер закрываемой экраном части образца будет меньше, чем позволяет при введении промежуточной среды уменьшать размер экрана и тем самым увеличивать гслезный сигнал, по"леднее существенно„ если устройство предназначено для измерения сильно преломляющих материалов, когда f /Р . определяется соотношением (3).

Данное устройство позволяет рас-, ширить спектральный диапазон измерений показателя преломления в область прозрачности вещества, как правило, составляющей несколько микрометров, в то время как устройством, взятым в качестве прототипа, можно

742777 производить измерения только в узкой области спектра, составляющей сотые доли микрометра, где исследуемый материал фоточувствителен при сравнительно слабом поглощении.

Данное устройство позволяет также расширить круг измеряемых материалов эа счет нефоточувствительных, поскольку в отличие от устройства, взятого в качестве прототипа, фоточувствительность материала не является обязательным условием измерений.

Введение в устройство промежуточной среды между образцом и приемником излучения позволяет увеличить полезный сигнал в несколько раз (2-5 раз) в зависимости от величины показателя преломления образца и промежуточной среды.

Формула изобретения

1 ° Устройство для определения показателя преломления, содержащее образец в виде клина с преломляющим углом, меньшим угла полного внутреннего отражения, держатель образца, механизм вращения образца вокруг оси, Совпадающей по направлению с ребром 25 преломпяющего угла, измеритель угла поворота образца, осветительную систему, дающую пучок параллельных световых лучей, перпендикулярный оси вращения, схему регистрации, о т — 3О л и чающее с я тем, что, с целью расширения спектрального диапазона измерений, в него введены приемник излучения и светонепроницаемый экран, причем приемник излучения 35 расположен за гранью против преломляющего угла образца, а экраном частично закрыты две другие грани, начиная от грани против преломляющего угла, при этом

9 е п™Я 1-ем У (« -РОх «фьБlп й1(Р«; -4 образец имеет геометрические параметРы. связанные с коэффициентом поглощения вещества образца в соответствующем спектральном диапазоне соотношейием у СЛ«и(фд А)/р Г ЬЮс, где

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Меланхолии Н.М. Методы исследования оптических свойств кристаллов. Наука, M.„ 1970, с. 98.

2. Афанасьев В.П. Оптические измерения. Геодезиэдат, M., 1961, с. 101.

3. Авторское свидетельство СССР по заявке М 2417912/18-25, кл. G 01 N 21/46, 1976 (прототип) — длина закрытой экраном части грани образца;

« — длина всей грани образца;

0 — заданные верхний и нижний, соответственно, l7 пределы измерения показателя преломления; о(— преломляющий угол обраэцаю 7д — постоянная, равная 2,4;

К вЂ” коэффициент поглощения исследуемого вещества.

2. Устройство для определения показателя преломления по п.l, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что в устройство включена промежуточная среда с показателем преломления, удовлетворяющим соотношение n„yn pl, пр«с где n — показатель преломления матепр риала приемника излучения; псп — показатель преломления промежуточной среды, и находящаяся в оптическом контакте с образцом по грани против преломляющего угла и приемником излучения.