Оптическое устройство для измерения показателя преломления прозрачных твердых веществ малой толщины и небольших размеров

Изобретение относится к оптике и может быть использовано в качестве рефрактометра для измерения показателя преломления различных прозрачных и полупрозрачных твердых веществ, в частности - оптической керамики.

Экспериментальные образцы оптической керамики из новых наноматериалов после механической обработки обычно имеют толщину 0.5-1 мм с большими значениями показателя преломления (порядка 2) и малыми поперечными размерами 8-12 мм [1], что накладывает ограничения при выборе методов измерения дисперсии.

В нашей стране и за рубежом рефрактометры для измерения показателя преломления веществ (n) с n~2.0 в диапазоне длин волн 400-1100 нм ввиду их специфики и ограниченного применения серийно не выпускаются. Аналогами данного изобретения являются рефрактометры ИРФ-456, ИРФ-454 Б2М и DR-M4 для измерения показателя преломления на фиксированных длинах волн.

Рефрактометр ИРФ-456, устройство и принцип действия которого описаны в работе [2], предназначен для непосредственного измерения показателей преломления жидких и твердых тел. Рефрактометр может быть применен в медицине, в химической, фармацевтической, пищевой промышленности и других областях. Измеряемые показатели преломления должны находиться в диапазоне 1.3-1.5.

Рефрактометр ИРФ-454 Б2М с подсветкой, производства Казанского оптико-механического завода, имеет диапазон измеряемых показателей преломления только от 1.2 до 1.7 [3].

Для многоволновых Аббе-рефрактометров DR-M4 японской фирмы ATAGO [4] диапазон измерения показателя преломления значительно выше и составляет 1.5164-1.9164 (для λ=450 нм), 1.4700-1.8700 (для λ=589 нм), 1.4558-1.8557 (для λ=680 нм), 1.4304-1.8303 (для λ=1.100 нм).

Как можно заметить, с помощью известных приборов невозможно определить показатели преломления веществ с n≥1.83 в ближней ИК-области, а длины волн можно установить только дискретно.

Хотя метод смещения луча плоскопараллельной пластиной и рассматривается наряду с другими в числе прочих методик для определения показателя преломления, но к настоящему моменту описание серийных приборов и патентов для определения показателя преломления методом смещения луча от плоскопараллельной пластины авторами не обнаружено, за исключением [5]. Также можно отметить работу Смирновой Л.С. [6], где представлен аналогичный способ регистрации лучей при определении показателя преломления, но для клиновидных, толстых образцов и при нормальном падении луча на образец.

Таким образом, за прототип к настоящему изобретению можно принять оптическое устройство, описанное в [5], где показатель преломления твердого материала определяется методом смещения лазерного луча при его наклонном падении на поверхности плоскопараллельной пластины.

Сущность изобретения по [5] состоит в следующем. Узкий пучок лучей света от источника излучения под определенным углом направляется на плоскопараллельную пластину и, преломляясь на ней, смещается на некоторое расстояние параллельно самому себе относительно своего первоначального направления; измерению подлежит величина смещения пучка лучей. Для повышения точности измерений используются дополнительный прозрачный оптический элемент (эталон) с известными показателем преломления и геометрическими размерами, а также точная система с шаговым двигателем с дискретностью шага менее 0,05 мкм, используемая для формирования и сканирования узких пучков лучей. Для непрерывного изменения длины волны используется монохроматор, работающий в диапазоне длин волн от 200 до 1200 нм. Размер измерительного пучка в поперечном сечении s<1 мм. Таким образом, изобретение-прототип позволяет измерять показатель преломления оптической керамики из Nd:Y₂O₃ с точностью Δn=±0.004.

Недостатками установки по [5] являются: длительность времени измерений (около одного часа), необходимость использования высокоточного электрического привода и монохроматора, усложняющих устройство и существенно увеличивающих его геометрические размеры.

Задачей настоящего изобретения является создание оптического устройства для определения показателя преломления прозрачных твердых материалов с оптической плотностью выше 1.83 при λ=1100 нм на образцах малой толщины (0.3-1.0 мм) и небольших поперечных размеров (5-8 мм) на фиксированных длинах волн в диапазоне от 400 до 1100 нм, позволяющее сократить время измерений до 2-3 мин и обеспечить точность определения показателя преломления Δn=±0.004.

Поставленная задача достигается с помощью оптического устройства, в состав которого входят следующие основные части: блок диодных лазеров с фиксированными длинами волн в диапазоне спектра 400-1100 нм; механическое устройство, формирующее узкий световой пучок шириной 80-90 мкм; высокочувствительная ПЗС-матрица с высоким разрешением, например, 2592×1944 пикселей; специализированная программа, производящая обработку снимка узких пучков в цифровом формате и оптимизирующая полученные данные; дополнительная прозрачная плоскопараллельная пластина (эталон) с известными показателем преломления и геометрическими размерами. Описанное устройство основано на методе смещения луча плоскопараллельной пластиной.

Отличительными особенностями настоящего изобретения от прототипа являются: использование в качестве источника излучения вместо монохроматора с лампой накаливания - лазерных диодов, вместо детекторов излучения типа ФЭУ - ПЗС-матрицы высокого разрешения, а вместо механического сканирования узких пучков лучей - программная обработка зафиксированных снимков в цифровом формате.

Устройство для формирования узкого (60-120 мкм) измерительного светового пучка лучей и дополнительный прозрачный оптический элемент (эталон) с известными показателем преломления и геометрическими размерами для определения точного угла падения луча на плоскопараллельную пластину используются в предлагаемой заявке без каких-либо изменений.

Одновременная регистрация на ПЗС-матрице трех сигналов (опорного, эталонного и измеряемого) делают совершенно излишней точную систему сканирования оптического сигнала щелью шириной 10-30 мкм посредством шагового двигателя с величиной дискретного шага порядка 0,05 мкм.

Для смены длины волны излучения поочередно устанавливаются разные диодные лазеры, излучающие на длинах волн в диапазоне от 400 до 1100 нм; для регистрации световых пучков применена ПЗС-матрица, чувствительная в видимой и ближней ИК-области спектра. Спектральный диапазон измерений определяется спектральным диапазоном чувствительности ПЗС-матрицы.

Указанные отличия в предлагаемом оптическом устройстве позволяют измерять показатели преломления n≥1.83 (при 1100 нм) прозрачных твердых веществ малой толщины (0,2-1 мм) и небольших размеров (5-12 мм), в широком диапазоне длин волн (400-1100 нм) за 2-3 мин вместо 60.

Сущность заявляемого изобретения поясняется блок-схемой усовершенствованной измерительной установки (фиг. 1), схемой расположения пучков лучей на ПЗС-матрице (фиг. 2) и оптической схемой преломления луча на плоскопараллельной пластине (фиг. 3).

На фиг. 1 представлена блок-схема установки: 1 - блок со сменными лазерными диодами, излучающими на разных длинах волн; 2 - блок с образцом и/или эталоном; 3 - ПЗС-матрица; 4 - преобразователь сигналов; 5 - компьютер. На фиг. 2 - схема расположения на изображении следов от пучков лучей, где 6 - опорный пучок, 7 - пучок, отклоненный эталонным образцом, 8 - пучок, отклоненный исследуемым образцом. На фиг. 3 изображена оптическая схема распространения лазерного луча через плоскопараллельную пластину.

Для определения показателя преломления n образца на основе блока с лазерными диодами и ПЗС-матрицы был собран комплексный прибор, блок-схема которого показана на фиг. 1. Лазерное излучение, сформированное в виде узкого пучка лучей, под определенным углом (см. фиг. 1 и 3) направляется на исследуемый образец и дополнительный прозрачный оптический элемент (эталон - 2). Далее пучок лучей преломляется исследуемым и эталонным образцами, смещается ими на разные расстояния (см. фиг. 2) и попадает на ПЗС-матрицу высокого разрешения, изображения с которой через преобразователь сигналов (4) поступают через USB-разъем на компьютер, где фиксируются в виде цифровых снимков.

Полученные с ПЗС-матрицы данные на экране компьютера (5) представляются в виде изображения четырех линий (см. фиг. 2). Высота падающего пучка лучей выбирается так, чтобы его верхняя и нижняя части, проходя мимо плоскопараллельных пластин образца и эталона, распространялись далее без преломления и формировали на ПЗС-матрице два следа опорного пучка (6).

При падении луча на образец под углом i (см. фиг. 3) происходит преломление луча до угла j. Выходя из образца, луч вновь преломляется и принимает направление, параллельное первоначальному. При этом преломленный луч смещается вдоль нижней плоскости образца на расстояние X.

Измерив по исследуемому образцу смещение X (расстояние между линиями 6 и 8 на фиг. 2), можно определить показатель преломления по следующей формуле

где n - показатель преломления материала, i - угол между падающим лучом и нормалью к поверхности образца, X - смещение луча от первоначального положения, d - толщина образца.

Из формулы (1) следует, что показатель преломления n можно вычислить, экспериментально, измерив угол падения i, толщину образца d и величину смещения X.

Точность определения показателя преломления исследуемого образца сильно зависит от точности нахождения угла падения i. Непосредственное измерение угла падения является отдельной сложной задачей и требует использования точных дорогостоящих оптических приборов, например, типа гониометр. Однако для этой цели применен дополнительный простой оптический элемент, эталон - плоскопараллельная прозрачная пластина из стекла марки К8 с известным показателем преломления и толщиной 1 мм. В качестве эталона можно использовать любое другое твердое прозрачное вещество с показателем преломления n больше 1,5, так как меньшее значение не обеспечивает заявленную точность при определении показателей преломления порядка 2. Зная показатель преломления n, толщину d эталона и экспериментально определив на нем величину смещения X луча (расстояние между линиями 6 и 7 на фиг. 2) посредством численного решения уравнения (1) можно найти угол падения i, по которому затем вычислить искомое значение показателя преломления исследуемого образца.

Исследуемый образец и дополнительная прозрачная плоскопараллельная пластина устанавливаются под одним и тем же углом падения i либо поочередно в держатель образцов, либо вместе параллельно друг к другу. Во втором случае процедура измерений значительно упрощается и ускоряется.

С помощью специальной программы производится попиксельное сканирование зарегистрированного изображения пучков лучей (их следов) и анализируется распределение интенсивности в поперечных сечениях пучков отклоненных лучей. Затем методом усреднения находят для эталонного и измеряемого пучков лучей положение координат X, входящих в расчетную формулу (1), и посредством численного решения уравнения (1) по известному значению показателя преломления n эталона определяется угол i падения пучка лучей на эталон и образец. По найденному углу i и координате X смещения луча, преломленного образцом, по формуле (1) вычисляется показатель преломления n исследуемого материала.

Определенный таким образом показатель преломления для образца из оксида иттрия с неодимом при использовании полупроводникового лазера (650 нм) составил 1.934, что соответствует в пределах ошибок измерений значению в работе [5]. Таким образом, заявляемое оптическое устройство позволило определить показатель преломления оптической керамики из Nd:Y₂O₃ с точностью не ниже Δn=±0.004, упростить конструкцию и ускорить измерения в 30 раз.

Заявляемое оптическое устройство может быть применено и для других целей, например, для определения клиновидности плоскопараллельных пластин при известном их показателе преломления.

Источники информации

1. Багаев С.П., Осипов В.В., Иванов М.Г., Соломонов В.И. и др. Высокопрозрачная керамика на основе Nd³⁺:Y₂O₃. // Фотоника. - 2007. -№5. - с. 24-29.

2. Иоффе Б.В. / Рефрактометрические методы химии, 3 изд., перераб., Л., Химия, 1983.

3. http://kazan-omz.ru/list/Laboratornye-pribory-1891/Refraktometr-laboratornyi-IRF-454B2M.html.

4. Многоволновые Аббе рефрактометры DR-M4. /http://www.atago.ru/stationary/abbe.html.

5. Осипов B.B., Орлов A.H., Каширин В.И., Лисенков В.В. / Оптическое устройство для измерения показателя преломления прозрачных твердых веществ малой толщины и небольших размеров методом параллельного смещения светового луча. Патент №2492449.

6. Смирнова Л.А. / Способ определения показателя преломления клиновидных образцов. Патент №2032166,