close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY12912

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2010.02.28
(12)
(51) МПК (2009)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 12912
(13) C1
(19)
G 01N 21/21
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОРИЕНТАЦИИ ОПТИЧЕСКОЙ ОСИ
И ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ДЛЯ ОБЫКНОВЕННОГО no
И НЕОБЫКНОВЕННОГО ne ЛУЧЕЙ ОДНООСНОГО КРИСТАЛЛА
(21) Номер заявки: a 20080783
(22) 2008.06.16
(43) 2010.02.28
(71) Заявитель: Государственное научнопроизводственное объединение "Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по
материаловедению" (BY)
(72) Автор: Меркулов Владимир Сергеевич (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научно-производственное объединение "Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси
по материаловедению" (BY)
(56) ФЕДОРОВ Ф.И. Оптика анизотропных
сред. - Минск: Академия наук БССР,
1958. - C. 237-248.
SU 1832913 A, 1995.
SU 1566208 A1, 1990.
US 4787740 A, 1988.
US 6081337 A, 2000.
BY 12912 C1 2010.02.28
(57)
Способ определения ориентации оптической оси и показателей преломления для
обыкновенного no и необыкновенного ne лучей одноосного кристалла, в котором луч монохроматического света направляют через поляризатор на поверхность одноосного кристалла, пропускают отраженный луч через анализатор, отличающийся тем, что
фиксируют угол падения света, устанавливают поляризатор в положение, при котором
азимут относительно оси абсцисс равен 0°, и измеряют зависимость азимута анализатора
Фиг. 2
BY 12912 C1 2010.02.28
от угла поворота кристалла вокруг нормали к его поверхности, путем гармонического
анализа из полученной зависимости находят полярный и азимутальный углы ориентации
оптической оси и разность значений диэлектрической проницаемости; устанавливают
кристалл так, чтобы оптическая ось лежала в плоскости падения света, поляризатор устанавливают в положение, при котором азимут равен 45°, и измеряют соответствующий ему
азимут анализатора A|| , затем кристалл поворачивают на угол 90° и -90° и измеряют соответствующие данным поворотам азимуты анализатора A и A ; значения поправки ~ε ,
+
−
диэлектрической проницаемости для обыкновенного εо и необыкновенного εе лучей, показателя преломления для обыкновенного no и необыкновенного ne лучей рассчитывают в
соответствии с математическими выражениями:
~ε = s 2 + ((1 + t ) (1 − t ))±2 s 4 c 2 ,
где верхний и нижний знак в показателе степени соответствует значениям угла падения,
меньшим и большим угла Брюстера,
s = sin θ ,
θ - угол падения,
t = tg (A|| + A ⊥ ) 2 ,
A ⊥ = (A + + A − ) 2 ,
c = cos θ ;
ε o = ~ε + ∆ε(1 + 3 cos 2β) 4(~ε − 1) ,
где ∆ε - разность значений диэлектрической проницаемости с учетом поправки ~ε ,
β - полярный угол ориентации оптической оси,
ε e = ε o + ∆ε ,
n o = (ε o )1 2 ,
n e = (ε e )1 2 .
Изобретение относится к способам определения показателей преломления и ориентации оптической оси прозрачных одноосных кристаллов по измерению поляризации отраженного света. Область применения - поляризационно-оптические измерения параметров
кристаллов с помощью эллипсометров и поляриметров.
Известен кристаллооптический способ определения главных показателей преломления
по измерениям углов отклонения луча света, прошедшего через призму, изготовленную из
исследуемого одноосного кристалла [1]. Недостатком способа является сложность изготовления призмы с определенной ориентацией оптической оси кристалла относительно
ребер призмы, для чего необходимо предварительно оптическими или другими способами
произвести прецизионную ориентировку, резку и шлифовку кристалла. При определении
оптических параметров кристаллов высокой твердости в оптической и ювелирной промышленности такие операции сопряжены с определенными трудозатратами, к тому же
нельзя проконтролировать параметры на готовом изделии неразрушающим образом.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является способ, описанный в [2] и состоящий в том, что луч монохроматического света направляют через поляризатор на поверхность одноосного кристалла,
затем отраженный луч пропускают через анализатор, определяют главную плоскость падения света, т.е. плоскость, перпендикулярную поверхности кристалла, в которой лежит
оптическая ось, при заданных ориентациях поляризатора и анализатора путем поворота
кристалла вокруг нормали к поверхности в соответствии с минимумом интенсивности
прошедшего света, при тех же ориентациях поляризатора и анализатора находят углы падения, соответствующие минимуму интенсивности света при трех заданных азимутах по2
BY 12912 C1 2010.02.28
ворота кристалла; находят угол полной поляризации в главной плоскости падения, а затем
из данных измерений вычисляют показатели преломления и ориентацию оптической оси.
Недостатком прототипа является невысокая точность определения параметров одноосного кристалла. Это связано с необходимостью поиска минимума интенсивности света
либо при вращении кристалла, либо при изменении угла падения при сохранении заданных установок поляризатора и анализатора. Такие операции на практике сопряжены с
возможными изменениями интенсивности света, связанными с погрешностями юстировки, а также с изменениями интенсивности по апертуре пучка. Заметим, что при определении главной плоскости падения необходимо отыскивать очень пологий минимум на фоне
очень малого максимального значения интенсивности. Поэтому в современной эллипсометрии предпочтительно отыскивать минимум интенсивности путем вращения анализатора (или поляризатора) при фиксированном угле падения и ориентации кристалла.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерений показателей преломления no, ne полярного и азимутального углов ориентации оптической оси.
Поставленная задача достигается тем, что луч монохроматического света направляют
через поляризатор на поверхность одноосного кристалла, пропускают отраженный луч
через анализатор, фиксируют угол падения света, устанавливают поляризатор в положение, при котором азимут относительно оси абсцисс равен 0°, и измеряют зависимость
азимута анализатора от угла поворота кристалла вокруг нормали к его поверхности, путем
гармонического анализа из полученной зависимости находят углы ориентации оптической
оси и разность значений диэлектрической проницаемости, устанавливают кристалл так,
чтобы оптическая ось лежала в плоскости падения света, поляризатор устанавливают в
положение, при котором азимут равен 45°, и измеряют соответствующий ему азимут анализатора А||, затем кристалл поворачивают на угол 90° и -90° и измеряют соответствующие данным поворотам азимуты анализатора А+ и А-; значения поправки ~ε ,
диэлектрической проницаемости для обыкновенного εo и необыкновенного εе лучей, показателя преломления для обыкновенного no и необыкновенного nе лучей рассчитывают в
соответствии с математическими выражениями.
Приведем здесь расчетные формулы для практически важного случая, когда |no ne|<<no,ne, т.е. когда особое значение приобретают вопросы повышения точности измерений. Заметим, что для таких кристаллов, как кварц, сапфир, рубин и изумруд, измеряемая
разность показателей преломления на два порядка меньше самих показателей.
Для прозрачного одноосного кристалла разложение матрицы отражения по анизотропным добавкам в тензор диэлектрической проницаемости в первом приближении следующее:
R pp + R xx ∆ε xx + R zz ∆ε zz R yz ε yz + R xy ε xy
,
R=
R yz ε yz − R xy ε xy
R ss + R yy ∆ε yy
Rss = (c-q)/(c+q)
Rpp = (εc-q)/(εc+q)
2
Rxx = cq/(εc+q)
Rxy = c/(εc+q)(c+q)
Ryy = -c/(c+q)2q
Ryz = cs/(εc+q)(c+q)q
Rzz = -cs2/(εc+q)2q
∆εxx = ∆ε cos2α sin2β
εxy = ∆ε cosα sinα sin2β
,
2
2
∆εyy = ∆ε sin α sin β
εyz = ∆ε sinα sinβ cosβ
∆εzz = ∆ε cos2β
где ε = no2, ∆ε = ne2-no2, α и β - полярные углы ориентации оптической оси, q = (ε-s2)1/2,
s = sinθ, c = cosθ, θ - угол падения. На фиг. 1 показаны перечисленные углы, поляризатор
P, анализатор A, вектор c указывает направление оптической оси исследуемого кристалла,
k - направление распространения света.
где
3
BY 12912 C1 2010.02.28
Для практически важного случая малых недиагональных компонент матрицы образца
|Rps|, |Rsp| << |Rpp|, |Rss| получим при Р = 0:
A = π/2 + ∆ε (Ryz sinα sinβ cosβ - Rxy cosα sinα sin2β)/Rpp.
Отсюда вытекает первая операция: поляризатор устанавливают в положение Р = 0, измеряют зависимость угла анализатора A от азимута поворота кристалла. Затем проводят
гармонический анализ полученной зависимости, т.е. определяют амплитуды гармоник
sin(α-αo) и sin2(α-αo). Начальная точка отсчета αo соответствует азимутальному углу ориентации оптической оси. Из соотношения амплитуд гармоник находят полярный угол
ориентации оптической оси, а также ∆ε с учетом среднего значения ε, полученного из
второй операции.
Для иллюстрации первой операции на фиг. 2 приведены расчетные зависимости угла
поворота анализатора A от угла поворота α кристалла сапфира вокруг нормали к поверхности при различных ориентациях оптической оси (no = 1,766, ne = 1,758, единицы измерения на фиг. 2 в градусах). Следует отметить, что такой вид зависимости имеет место
практически для всех одноосных кристаллов (с точностью до знака и масштаба). Отметим,
что в прототипе используют только точки пересечения графиков с осью абсцисс и не регистрируют весьма информативную для определения ориентации оптической оси зависимость угла анализатора от угла поворота кристалла.
При второй операции кристалл устанавливается так, чтобы оптическая ось лежала в
плоскости падения (αo = 0), т.е. устанавливают главную плоскость падения, и измеряют
положение анализатора А|| при P = 45°. Затем кристалл поворачивают на +90° или -90° и
измеряют соответствующие положения анализатора A+ и А- при том же положении поляризатора. Если ввести обозначения A⊥ = (A+ + А-)/2, t = tg(A|| + A⊥)/2, то среднее значение
константы диэлектрической проницаемости будет следующее:
~ε = s2 + ((1 + t)/(1 - t))±2s4/c2,
где верхний и нижний знак в показателе степени соответствует значениям угла падения,
меньшим и большим угла Брюстера.
Главные значения диэлектрической проницаемости и показателей преломления с учетом найденных поправок будут следующие:
εo = ~ε + ∆ε (1 + 3соs2β) / 4( ~ε -1), εe = εo + ∆ε, no = (εo)1/2, ne = (εe)1/2.
Сравнительные характеристики заявленного способа и прототипа заключаются в следующем. Точность измерений показателей преломления, полярного и азимутального углов ориентации оптической оси улучшена за счет того, что все измерения проводят путем
минимизации интенсивности света при вращении анализатора, причем фиксируют угол
падения света (например, 45°) и задают ориентацию кристалла. При первой операции измеряют весьма чувствительную к ориентации оптической оси азимутальную зависимость
угла анализатора, которую не регистрируют в прототипе.
Использование настоящего изобретения расширяет возможности кристаллооптики для
определения оптических параметров одноосных кристаллов. Предлагаемый способ был
использован при определении показателей преломления и ориентации оптических осей
синтетических кристаллов изумруда, сапфира, рубина и александрита на отраженном свете.
Источники информации:
1. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Наука, 1973. - 720 с.
2. Федоров Ф.И. Оптика анизотропных сред. - Минск: Изд. АНБ, 1958. - 380 с.
4
BY 12912 C1 2010.02.28
Фиг. 1
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
97 Кб
Теги
by12912, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа