способ определения коэффициента линейной поляризации света при отражении и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ определения коэффициента линейной поляризации света при отражении от аморфных полупроводниковых покрытий, включающий направление на образец с исследуемым покрытием параллельного пучка света, пропускание отраженного от образца пучка через анализатор на приемное устройство и поворот анализатора до получения максимального и минимального сигналов, отличающийся тем, что в качестве образца используют зеркало с передним отражающим покрытием из аморфного полупроводника, вращают анализатор до получения максимального сигнала с приемного устройства и регистрируют этот сигнал I_m, перекрывают пучок света на образец и регистрируют сигнал I_m, открывают пучок света на образец и вращают анализатор до получения минимального сигнала с приемного устройства и регистрируют этот сигнал I_n, вторично перекрывают пучок света на образец и регистрируют сигнал I_n, причем коэффициент линейной поляризации K определяют из выражения

K = (I_m-I_m)(I_n-I_n)^-1,

при этом все указанные операции осуществляют для различных значений заданного угла падения параллельного пучка света на образец с передним отражающим покрытием из аморфного полупроводника в пределах углов падения от 2 до 80^o и для каждого значения угла падения определяют коэффициент линейной поляризации.

2. Устройство для определения коэффициента линейной поляризации света, содержащее последовательно установленные вдоль оптической оси осветитель, светофильтр, держатель образца и по ходу отраженного от образца излучения анализатор, установленный с возможностью вращения, и фотоприемник с блоком индикации и регистрации, отличающееся тем, что в него введены последовательно установленные между светофильтром и держателем образца первая регулируемая диафрагма, дваяковыпуклая линза и вторая регулируемая диафрагма, а держатель образца установлен с возможностью вращения вокруг оптической оси.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной автоматике и к полярископам и поляриметрам и может быть использовано для определения коэффициента линейной поляризации света при отражении от аморфных полупроводниковых покрытий для создания на этой основе светильников, которые могут быть использованы для наблюдения объектов в условиях пыли и тумана и для исследования и наблюдения деформируемости горных пород в массивах.

Известен способ определения коэффициента линейной поляризации света, включающий пропускание светового потока последовательно через монохроматор, линзу, поляризатор, модулятор, диафрагму, анализатор и фотоприемник, причем поток света стабилизируют, определяют косинус суммы углов между плоскостями колебаний в лучах, падающих на анализатор и пропускаемых им, и угла, на который отклоняется плоскость поляризации света, падающего на анализатор, а коэффициент поляризации определяют по формуле Малюса:

= ₀[cos²(+)+K], ,

где

₀ - поток излучения, выходящий из поляризатора, K - коэффициент пропускания скрещенных поляризатора и анализатора, - поток излучения, выходящий из анализатора [1].

Недостатком известного способа является невозможность с его помощью точно определить коэффициент линейной поляризации при отражении света от аморфных полупроводниковых покрытий.

Известен поляриметр, содержащий источник модулированного плоскополяризованного излучения, соединенный с входом генератора опорного напряжения, оптически связанные с источником излучения два поляроида-анализатора, на выходах которых установлены, фотоприемники, соединенные через усилители с соответствующими входами синхронных детекторов, вторые входы синхронных детекторов подключены к выходам генераторов опорного напряжения, первые выходы синхронных детекторов соединены с входом блока сложения, а вторые выходы синхронных детекторов соединены с входом блока вычитания, выход которого соединен через блок деления с входом блока сложения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения угла поворота плоскости поляризации, в него дополнительно введены третий поляроид-анализатор, третий фотоприемник, третий усилитель третий синхронный детектор, второй блок сложения, к второму входу которого подсоединен выход второго блока умножения на выбранную константу, вход которого соединен с выходом третьего синхронного детектора, второй вход которого подключен к одному из выходов генератора опорного напряжения, а выход блока вычитания и выход второго блока сложения подсоединены к соответствующим входам блока деления, причем плоскость поляризации третьего поляроида-анализатора совмещена с плоскостью поляризации поляроида источника модулированного плоскополяризованного излучения [2].

Недостатком известного поляриметра является невозможность с его помощью точно определить коэффициент линейной поляризации при отражении света от аморфных полупроводниковых покрытий.

Известен способ определения коэффициента линейной поляризации света, включающий направление на поляризатор под заданным углом падения параллельного пучка света, пропускание отраженного от поляризатора пучка через анализатор на приемное устройство и поворот анализатора до получения максимального и минимального сигналов, по которым определяют коэффициент линейной поляризации света при отражении [3].

Недостатком известного способа является невозможность с его помощью точно определить высокий коэффициент линейной поляризации при отражении от аморфных полупроводниковых покрытий.

Известно устройство для определения коэффициента линейной поляризации света, содержащее последовательно установленные вдоль оптической оси осветитель, монохроматор, поляризатор, кювету с люминесцирующим раствором, вращающийся диск, в котором установлен анализатор, пластинку в четверть волны и светофильтр, а также фотоумножитель с блоком индикаций и регистрации, причем кювета, анализатор, светофильтр и фотоумножитель последовательно установлены вдоль второй оптической оси, перпендикулярной к первой оптической оси [4].

Недостатками известного устройства являются невозможность с его помощью точно определить высокий коэффициент линейной поляризации при отражении от аморфных полупроводниковых покрытий. ."

Задачей изобретения является повышение точности определения большого коэффициента линейной поляризации света при отражении от аморфных полупроводниковых покрытий при одновременном упрощении за счет отсутствия стабилизации светового пучка и применения низкоточного фотоприемника с относительной погрешностью менее 10%.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения коэффициента линейной поляризации света при отражении от аморфных полупроводниковых покрытий, включающем направление на образец с исследуемым покрытием параллельного пучка света, пропускание отраженного от образца пучка через анализатор на приемное устройство и поворот анализатора до получения максимального и минимального сигналов, в качестве образца используют зеркало с передним отражающим покрытием из аморфного полупроводника, вращают анализатор до получения максимального сигнала с "приемного устройства и регистрируют этот сигнал I_m, перекрывают пучок света на образец и регистрируют сигнал I_m , открывают пучок света на образец и вращают анализатор до получения минимального сигнала с приемного устройства и регистрируют этот сигнал I_n , вторично перекрывают пучок света на образец и регистрируют сигнал I_n , причем коэффициент линейной поляризации K определяют из выражения:

K = (I_m-I_m)(I_n-I_n)^-1,

при этом все указанные операции осуществляют для различных значений заданного угла падения параллельного пучка света на зеркало с передним отражающим -покрытием из аморфного полупроводника в пределах углов падения от 2 до 80^oC и для каждого значения угла падения определяют коэффициент линейной поляризации.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для определения коэффициента линейной поляризации света, содержащее последовательно установленные вдоль оптической оси осветитель, светофильтр, держатель образца и по ходу отраженного от образца излучения анализатор, установленный с возможностью вращения, и фотоприемник с блоком индикации и регистрации, отличающееся тем, что в него введены последовательно установленные между светофильтром и держателем образца первая регулируемая диафрагма, двояковыпуклая линза и вторая регулируемая диафрагма, а держатель образца установлен с возможностью вращения вокруг оптической оси.

Изобретательский акт при создании способа определения коэффициента линейной поляризации "света заключается в двух важных обстоятельствах. Во-первых, авторами впервые экспериментально установлено неизвестное ранее явление поляризации света при отражении от аморфных полупроводников и их соединений, заключающееся в том, что при отражении параллельного пучка света от аморфных полупроводников и их соединений (например, селена, германия, кремния, халькогенидных стекол) при углах падения пучка в интервале 60 - 80^o происходит линейная поляризация света с резким возрастанием коэффициента поляризации (свыше 10 раз) по сравнению с поляроидными пленками, Авторам вообще неизвестны способы или устройства, с помощью которых можно было бы определить большой коэффициент линейной поляризации с относительной погрешностью менее 10%. Во-вторых, в предложенном способе пришлось преодолеть техническое противоречие.

Сущность технического противоречия заключается в том, чтобы с помощью низкоточных анализатора, фотоприемника и блока индикации и регистрации определить коэффициент линейной поляризации (превышающий 100) с относительной погрешностью не более 10%.

Для определения коэффициента линейной, поляризации света при отражении от покрытий из аморфных полупроводников и их соединений и преодоления при этом технического противоречия необходимы и достаточны все признаки способа: 1) направляют на образец под заданным углом падения параллельный пучок света, 2) пропускают отраженный от образца пучок света через анализатор на приемное устройство, 3) поворачивают анализатор до получения максимального сигнала, 4) поворачивают анализатор до получения минимального сигнала, 5) в качестве образца используют плоскопараллельную пластину (зеркало), на которую нанесено исследуемое покрытие из аморфного полупроводника, 6) вращают анализатор до получения максимального сигнала с приемного устройства и регистрируют этот сигнал I_m, 7) перекрывают пучок света на образец и регистрируют сигнал I_m, 8) открывают пучок света на образец и вращают анализатор до получения минимального сигнала с приемного устройства и регистрируют этот сигнал I_n, 9) вторично перекрывают пучок света на образец и регистрируют сигнал I_n, , 10) коэффициент линейной поляризации К определяют из выражения

K = (I_m-I_m)(I_n-I_n)^-1.

Все 10 признаков способа сформулированы конкретно в смысле однозначности выполняемых операций или их режимов. Одновременно все десять признаков способа сформулированы общо в смысле отсутствия конкретизации тех приспособлений и устройств, с помощью которых можно выполнить одну и ту же операцию. Поэтому ни один из десяти признаков способа нельзя заменить на эквивалентный. Кроме того, в формулу способа введены только те признаки, совокупность которых необходима и достаточна для преодоления технического противоречия, т. е. " для повышения точности определения коэффициента линейной поляризации света при отражении с помощью минимального набора наиболее простых операций. Поэтому, по мнению авторов, совокупность признаков способа соответствует критериям "новизна" и "существенные отличия", а способ соответствует изобретательскому уровню.

Изобретательский акт при создании устройства для определения коэффициента линейной поляризации света при отражении также заключается в двух важных обстоятельствах. Во-первых, авторами впервые создано устройство, не имеющее аналогов по родовому признаку, так как ранее не существовало никаких устройств вообще, с помощью которых можно было бы определять коэффициенты линейной поляризации света со значениями более 100 при отражении света от аморфных полупроводниковых покрытий. Во- вторых, в предложенном устройстве преодолено техническое противоречие. Сущность технического противоречия заключается в том, чтобы с помощью грубых низкоточных анализатора, фотоприемника и блока индикации и регистрации определить коэффициент линейной поляризации (превышающий 100) с относительной погрешностью не более 10%. Для определения коэффициента линейной поляризации при отражении света от аморфных полупроводниковых покрытий и преодоления при этом технического противоречия необходимы и достаточны все признаки устройства: 1) последовательно установленные вдоль оптической оси осветитель, монохроматор и образец, 2) последовательно установленные вдоль второй оптической оси вращающийся анализатор и фотоприемник с блоком индикации и регистрации, 3) две регулируемые диафрагмы, 4) двояковыпуклая линза, 5) образец выполнен в виде зеркала с передним поляризационным покрытием из аморфного полупроводника, 6) между осветителем и образцом вдоль оптической оси за монохроматором последовательно установлены первая регулируемая диафрагма, двояковыпуклая линза, вторая регулируемая диафрагма и образец с поляризационным покрытием из аморфного полупроводника.

Все 6 укрупненных признаков устройства сформулированы конкретно в смысле однозначности выполняемых признаками функций. Одновременно все 6 признаков устройства сформулированы общо в смысле отсутствия конкретизации формы выполнения, соотношений линейных размеров и т. п. Поэтому ни один из 6 признаков устройства невозможно заменить на эквивалентный. Кроме того, в формулу устройства введены только те элементы (признаки), совокупность которых необходима и достаточна для обеспечения работы и преодоления технического противоречия при этом, т: е. для повышения точности определения коэффициента линейной поляризации света при отражении с помощью минимального набора простых элементов. Поэтому, по мнению авторов, совокупность признаков устройства соответствует критериям "новизна" и "существенные отличия", а устройство соответствует изобретательскому уровню.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где: на фиг. 1 показана оптическая схема определения коэффициента линейной поляризации света при отражении; на фиг. 2 - устройство для определения коэффициента линейной поляризации света при отражении; на фиг. 3 - вид сверху на приведенное на фиг. 2 устройство; на фиг. 4 - вид слева на приведенное на фиг. 2 устройство.

Устройство для определения коэффициента линейной поляризации света при отражении содержит последовательно установленные вдоль оптической оси осветитель 1, анализатор 2, монохроматор (светофильтр) 3 и образец.

Устройство снабжено двумя регулируемыми диафрагмами 4 и 5 и двояковыпуклой линзой 6. Образец выполнен в виде плоскопараллельной пластины 7 на которую нанесено исследуемое покрытие из аморфного полупроводника. В устройстве также последовательно установлены вдоль второй оптической оси вращающийся анализатор 2 и фотоприемник 8 с блоком индикации и регистрации 9. Между осветителем 1 и образцом 7 вдоль оптической оси за монохроматором 3 последовательно установлены первая регулируемая диафрагма 4, двояковыпуклая линза 6 и вторая регулируемая диафрагма 5.

Все элементы установлены на станине 10 с профильными направляющими. На станине установлены рейтеры 11 с возможностью продольного перемещения по станине и фиксации их в любом положении зажимными винтами 12. В рейтеры 11 вставлены стойки 13, которые могут фиксироваться по высоте зажимными винтами 12. Осветитель 1 установлен в корпусе 14, который прикреплен к первой левой стойте 13, установленной на первом левом рейтере 11. Муфта 15 с фиксирующим винтом 16 закреплена на фигурной стойке 17, которая в свою очередь установлена в правом крайнем рейтере 11. Для определения угла поворота образца 7 с поляризационным покрытием из аморфного полупроводника служит шкала 18. Для установки отражающей поверхности образца 7 по оси вращения фигурной стойки 17 служит винт перемещения 19, который по направляющим 20 смещает зеркало. Анализатор 2 и фотоприемник 8 установлены на поперечной штанге 21, которая вставлена в муфту 15. Шкала 18 подсвечивается лампой 22. На фигурной стойке 17 с возможностью вращения вокруг этой стойки и фиксации ее на стойке зажимным винтом 12 установлена фигурная муфта 23, в которую неподвижно вмонтирована шкала 18. Образец 7 с отражающим покрытием из аморфного полупроводника крепится планками 24 на Г-образной стойке 25. Анализатор 2 и фотоприемник 8 закреплены на основании 26, которое с помощью кронштейна 27 и зажимного винта 12 прикреплено к поперечной штанге 21.

Способ определения коэффициента линейной поляризации света при отражении от аморфных полупроводниковых покрытий реализуется следующей последовательностью операций:

последовательно друг за другом на одной оптической оси устанавливают осветитель, светофильтр, первую диафрагму, двояковыпуклую линзу и вторую диафрагму и формируют поток света от источника (осветителя) на образец с доследуемым покрытием из аморфного полупроводника под углом к плоскости покрытия;

на пути отраженного от образца с покрытием параллельного потока линейно поляризованного света последовательно друг за другом устанавливают анализатор с возможностью вращения вокруг, оси и фотоприемник неподвижно;

вращают линейный анализатор до получения максимального сигнала с фотоприемника и регистрируют этот сигнал I_m;

перекрывают поток параллельного света на образец после второй диафрагмы и регистрируют сигнал с фотоприемника I_m;

открывают параллельный поток света на образец и вращают линейный анализатор до получения минимального сигнала с фотоприемника и регистрируют этот сигнал I_n ;

вторично перекрывают поток параллельного света после второй диафрагмы на образец и регистрируют сигнал с фотоприемника I_n ;

коэффициент линейной поляризации, света для угла падения K определяют из выражения

K= (I_m-I_m)(I_n-I_n)^-1;

поворачивают образец с отражающим покрытием из аморфного полупроводника так, чтобы угол падения параллельного потока света на зеркало 1 увеличился (например на 1^o). Поворачивают на поперечной штанге 21 фотоприемник с анализатором так, чтобы параллельный пучок отраженного от образца света проходил через центр анализатора в центр фотоприемника. Далее повторяют все восемь операций в описанной выше последовательности и определяют коэффициент линейной поляризации света K₁ по аналогичной формуле.

Последовательно изменяя угол и каждый раз устанавливая анализатор и фотоприемник так, чтобы отраженный от образца пучок параллельного света проходил через центры анализатора и фотоприемника, каждый раз определяют коэффициент линейной поляризации. После этого строят зависимость коэффициента поляризации от угла падения параллельного потока света и определяют, при каком угле получается максимальный коэффициент поляризации K_max1.

Устанавливают образец с исследуемым покрытием из второго аморфного полупроводника и вновь осуществляют все описанные выше операции и определяют максимальное значение коэффициента поляризации для покрытия из второго аморфного полупроводника K_max2 и так далее.

Перед определением коэффициента линейной поляризации света при отражении от аморфных полупроводниковых покрытий устройство юстируют (настраивают). Сначала включают осветитель 1, устанавливают белый светофильтр 3, первую диафрагму 4 и двояковыпуклую линзу 6 так, чтобы поток белого света от линзы был параллельным. Это достигается установкой осветителя 1 в фокусе двояковыпуклой линзы 6. Первую регулируемую диафрагму 4 сужают так, чтобы расходящийся от осветителя 1 пучок света не выходил за пределы линзы 6. При этом осветитель 1, светофильтр 3, диафрагма 4 и линза 6 должны быть на общей оптической оси, параллельной станине 10 в горизонтальной и вертикальной плоскостях. После этого второй диафрагмой 5 сужают параллельный поток света. На пути параллельного потока света устанавливают образец 7 с исследуемым покрытием из аморфного полупроводника так, чтобы отражающая поверхность образца совпадала с осью его вращения, т. е. с осью фигурной стойки 17. Для этого винтом перемещения 19 по направляющим 20 перемещают Г-образную стойку 25 с образцом 7 до тех пор, пока высвечиваемое на зеркале эллиптическое пятно не станет симметричным относительно вертикальной оси вращения образца. При этом учитывают также, что размер отражающей поверхности образца 7 в горизонтальном направлении при угле падения параллельного потока света на образец = 80^o был больше размера эллиптического пятна на образце. Вертикальный размер отражающей поверхности образца должен быть больше диаметра второй диафрагмы 5. Поперечную штангу 21 и кронштейн 27 устанавливают таким образом, чтобы отраженный от образца параллельный поток света попадал точно по центру анализатора и фотоприемника 8 так, чтобы при вращении муфты 15 центр анализатора 2 и фотоприемника 8 всегда находились в одной горизонтальной плоскости. Шкалу 18 фиксируют в таком положении, чтобы ее деления совпадали с углом падения параллельного потока света на образец 7. Настройка всех элементов устройства облегчается возможностью перемещения осветителя 1 со светофильтром 3 и первой диафрагмой 4, двояковыпуклой линзы 6 и второй диафрагмы 5, а также образца 7, анализатора 2 и фотоприемника 8 в вертикальной плоскости с помощью стоек 13 и зажимных винтов 12, а в горизонтальной плоскости с помощью рейтеров 11 и зажимных винтов 12.

Работа устройства для определения коэффициента линейной поляризации света при отражении от аморфных полупроводниковых покрытий осуществляется следующим образом. Включают осветитель 1 и направляют пучок белого света на образец 7. Образец 7 устанавливают под углом падения пучка . При этом падающий на образец пучок параллельного белого света отражается от образца под тем же углом становится линейно поляризованным с неизвестным коэффициентом линейной поляризации. Поворачивают муфту 15 с поперечной штангой 21 и кронштейном 27 на угол 2 так, чтобы центры анализатора 2 и фотоприемника 8 совпадали с центром отраженного от образца параллельного пучка белого света. Включают блок индикации и регистрации 9 и начинают вращать анализатор 2 (выполненный, например, в виде поляфильтра ПФ-55) до тех пор, пока показания блока 9 не станут максимальными и записывают этот результат I_m . Перекрывают параллельный поток белого света от второй диафрагмы так, чтобы он не попадал на образец 7, а чтобы все рассеянные и фоновые лучи света или различных подсветок по прежнему попадали на анализатор 2 и фотоприемник 8 и записывают при этом отсчет с блока I_m .

Открывают параллельный пучок света на образец и снова вращают анализатор 2 до получения минимального, отсчета в блоке и записывают результат I_n . При этом анализатор 2 повернется на 90^o по сравнению с положением получения максимального сигнала. Перекрывают параллельный поток белого света от второй диафрагмы 5 так, чтобы он не попадал на образец 7, а чтобы все рассеянные и фоновые лучи света или различных подсветок по прежнему попадали на анализатор 2 и фотоприемник 8 и записывают при этом отсчет с блока 9 I_n .

По результатам измерений четырех интенсивностей определяют коэффициент линейной поляризации белого света при угле падения по формуле:

K= (I_m-I_m)(I_n-I_n)^-1. (1)

После этого повторяют все операции в указанной выше последовательности для другого значения угла падения света 1 и по аналогичной (1) формуле определяют коэффициент K₁. Проведя измерения для углов падения от 5 до 80^o получают зависимость K = f() и по ней определяют, при каком угле падения света получается максимально поляризованный свет.

Далее все аналогичные операции проводят последовательно на красном, оранжевом, желтом, зеленом, голубом, синем и фиолетовом цветах и по наибольшему значению K определяют, для какой длины волны исследуемое покрытие обеспечивает наилучшую линейную поляризацию.

Все описанные выше операции повторяют Для разных полупроводниковых покрытий и разных цветов потоков света и находят по максимальному значению K те материалы и диапазоны длин волн потока света, которые обеспечивают наилучшую линейную поляризацию.

Техническими преимуществами предложенных способа и устройства по сравнению с базовым объектом (RV, патент, 2020525, G 02 B 27/28, от 04.08.92) являются следующие: упрощена конструкция за счет исключения сложных, дорогих и ненадежных блока вращения поляризующих элементов, включающего приводной вал, параллельный оптической оси полярископа, и установленный концентрично ему полый вал привода четвертьволновых пластин, два полых вала,- установленные концентрично приводному валу внутри полого вала привода четвертьволновых пластин, внутренний промежуточный вал с устройством осевого перемещения и выполненный с возможностью взаимодействия с элементами, приводов поляризатора и анализатора и четвертьволновых пластин и с соединенным с приводным валом элементом, рычажной двусторонней вилки с подшипниками на концах, входящими с одной стороны в кольцевую проточку внутреннего полого вала, а с другой стороны - в паз радиально-торцевого кулачка, закрепленного на валу с рычагом управления; увеличена точность определения коэффициента линейной поляризации за счет одновременных исключений влияний нестабильности осветителя, систематических погрешностей фотоприемника с блоком индикации и регистрации и флуктуаций подсветки. Одновременное упрощение, уменьшение количества операций и повышение точности свидетельствует о преодолении технического противоречия в изобретении.