RU2046315C1

RU2046315C1 - Method for measuring birefringence value

Info

Publication number: RU2046315C1
Authority: RU
Inventors: Борис Фишерович Зарецкий
Original assignee: Борис Фишерович Зарецкий
Priority date: 1991-06-11
Filing date: 1991-06-11
Publication date: 1995-10-20

Abstract

FIELD: optical engineering; measurement technology. SUBSTANCE: method involves changing wave-length of the source light beam keeping constant output signal from photodetector by changing in appropriate way parameter value, determining compensation effect. The birefringence value is determined based on the ratio between the range of compensator parameter variance and the corresponding range of source light beam wave-length variance. EFFECT: enhanced effectiveness in studying physical properties of transparent media. 2 dwg

Description

Изобретение относится к способам измерения оптических свойств материалов, в частности оптической анизотропии, и может быть использовано для изучения свойств оптически прозрачных сред, например полимерных пленок, кристаллов природных и искусственных материалов и др. Особенно полезно использование способа для измерения величины двулучепреломления полимерных пленок, в частности ориентированных полимерных пленок, а также для исследования напряженного состояния оптически активных сред. The invention relates to methods for measuring the optical properties of materials, in particular optical anisotropy, and can be used to study the properties of optically transparent media, for example, polymer films, crystals of natural and artificial materials, etc. It is especially useful to use the method for measuring the birefringence of polymer films, in particular oriented polymer films, as well as for studying the stress state of optically active media.

Известен способ измерения величины двулучепреломления светового луча, прошедшего через объект измерения. Этот способ состоит в том, что образец просвечивается поляризованным лучом света (например, лучом лазера). При этом образуется разность хода между обыкновенным и необыкновенным лучами. Эта разность хода пропорциональна величине оптической анизотропии образца. При измерении ориентированной пленки разность хода пропорциональна степени ориентации образца (при одинаковой его толщине). В случае измерения напряженного состояния оптически активной среды упомянутая разность хода пропорциональна величине напряжения в точке измерения. Разность хода лучей измеряют с помощью компенсаторов Берека или Бабина, расположенных после образца по ходу луча света, методом Сенармона или другими известными методами (см. главу IX Определение силы двулучепреломления в кн. В.Б.Татарского "Кристаллооптика", Л. 1949; статью Фотоэлектрический метод регистрации двулучепреломления в полимерах. А.С.Рамш, Е.А.Сидорович, в сб. Физические свойства эластомеров. Л. Химия, 1955). A known method of measuring the magnitude of the birefringence of a light beam passing through the measurement object. This method consists in the fact that the sample is illuminated by a polarized light beam (for example, a laser beam). In this case, a path difference is formed between the ordinary and extraordinary rays. This path difference is proportional to the optical anisotropy of the sample. When measuring an oriented film, the path difference is proportional to the degree of orientation of the sample (with the same thickness). In the case of measuring the stress state of an optically active medium, said stroke difference is proportional to the voltage at the measurement point. The difference in the path of the rays is measured using Berek or Babin compensators located after the sample along the path of the light, using the Senarmon method or other known methods (see chapter IX Determination of the birefringence in the book by V. B. Tatarsky "Crystal Optics", L. 1949; article Photoelectric method for detecting birefringence in polymers. A.S. Ramsh, E.A. Sidorovich, in the collection Physical properties of elastomers. L. Chemistry, 1955).

Этот способ измерения величины двулучепреломления не применим для измерения высоких порядков. При попытках построить автоматически действующий прибор по известному способу задача решается без особых проблем для измерения разности хода не более одного порядка. Далее возникают непреодолимые трудности из-за необходимости распознавания порядка (числа волн светового луча в величине разности хода). В то же время в оптически активных средах, например а полимерных пленках, разность хода может достигать многих порядков. Например, в одноосно ориентированной лавсановой пленке при толщине 100 мкм и коэффициенте втяжки 3,5-4 разность хода достигает 80 порядков. Подобные величины двулучепреломления известным способом автоматически измерить невозможно. This method of measuring the magnitude of birefringence is not applicable for measuring high orders. When trying to build an automatically operating device by a known method, the problem is solved without any special problems for measuring the path difference of no more than one order. Further, insurmountable difficulties arise because of the need to recognize the order (the number of waves of the light beam in the magnitude of the path difference). At the same time, in optically active media, for example, in polymer films, the path difference can reach many orders of magnitude. For example, in a uniaxially oriented lavsan film with a thickness of 100 μm and a retraction coefficient of 3.5–4, the travel difference reaches 80 orders of magnitude. Such birefringence cannot be automatically measured in a known manner.

Наиболее близким к предлагаемому является метод Сенармона (Эдельштейн Е. И. Координатно-синхронный поляриметр КСП-7, сб. Поляризационно-оптический метод исследования напряжений, ЛГУ, 1966, с.498-512). Согласно этому методу разность хода в монохроматическом свете определяется углом, на который надо повернуть анализатор для того, чтобы получить темноту. При этом первоначально поляризатор и анализатор расположены взаимно перпендикулярно по своим осям пропускания. Кристаллографические оси пластинки четверть волны совпадают с осями пропускания поляризатора и анализатора и расположены под углом 45^о к направлению оптической анизотропии исследуемого образца.Closest to the proposed one is the Senarmon method (Edelstein E. I. Coordinate-synchronous polarimeter KSP-7, Sat. Polarization-optical method for studying stresses, Leningrad State University, 1966, pp. 498-512). According to this method, the path difference in monochromatic light is determined by the angle by which the analyzer must be turned in order to obtain darkness. In this case, initially the polarizer and analyzer are located mutually perpendicular to their transmission axes. The crystallographic axis of quarter wave plate coincide with the transmission axes of the polarizer and the analyzer, and positioned at an angle ^of 45 to the direction of the optical anisotropy of the sample.

Недостатком метода является невозможность измерения разностей хода высоких порядков, например более 10. Также трудно определить дробную часть сверх некоторого целого порядка. The disadvantage of this method is the impossibility of measuring differences in the course of high orders, for example, more than 10. It is also difficult to determine the fractional part over some integer order.

Целью изобретения является повышение точности и расширение диапазона измерения величины двулучепреломления образца. The aim of the invention is to improve the accuracy and expand the measuring range of the magnitude of the birefringence of the sample.

Цель достигается тем, что изменяют длину волны исходного луча света, одновременно при этом поддерживают постоянным сигнал на выходе фотоприемника соответствующим изменением параметра, определяющего эффект компенсации, а величину двулучепреломления определяют по отношению диапазона изменения указанного параметра компенсатора к соответствующему ему диапазону изменения длины волны исходного луча света. The goal is achieved by changing the wavelength of the original light beam, while maintaining a constant signal at the output of the photodetector by changing the parameter that determines the compensation effect, and the birefringence is determined by the ratio of the variation range of the specified parameter of the compensator to the corresponding wavelength range of the original light beam .

В ходе проведения патентных исследований по научно-технической и патентной литературе не было обнаружено технических решений, содержащих указанные выше признаки, что позволяет сделать вывод о его соответствии критериям "Новизна" и "Существенные отличия". In the course of conducting patent research on scientific, technical and patent literature, no technical solutions were found containing the above features, which allows us to conclude that it meets the criteria of "Novelty" and "Significant differences".

Известно, что величина разности хода α, пропорциональная толщине образца d, обратно пропорциональна длине волны λ (см. Фрохт М.М. Фотоупругость, т. 1, M.-Л. ОГИВ, 1948, с.123, формула 4, 6):
α=K

(1)
Здесь разность хода α выражена в длинах волн. При изменении длины волны λ на Δ λ получают
α+Δα=K

(2)
Вычитая из выражения (2) уравнение (1), получают
Δα=kd

(3)
Разделив выражение (3) на уравнение (1), получают

(4)
Поскольку величина Δ λ мала (порядка нескольких процентов от λ), то получают основное соотношение

(5)
Из соотношения (5) следует, что при фиксированной длине волны луча λ и изменения этой волны Δ λ приращение разности хода линейно связано с самой величиной α. Соотношение (5) является теоретической основой предлагаемого способа.It is known that the stroke difference α, proportional to the sample thickness d, is inversely proportional to the wavelength λ (see Frocht M.M. Photoelasticity, vol. 1, M.-L. OGIV, 1948, p.123, formula 4, 6) :
α = K

(1)
Here, the path difference α is expressed in wavelengths. When changing the wavelength λ by Δ λ get
α + Δα = K

(2)
Subtracting equation (1) from expression (2), we obtain
Δα = kd

(3)
Dividing expression (3) by equation (1), we obtain

(4)
Since the quantity Δ λ is small (of the order of a few percent of λ), we obtain the main relation

(5)
From relation (5) it follows that for a fixed wavelength of the beam λ and a change in this wave Δ λ, the increment of the path difference is linearly related to the value of α itself. The ratio (5) is the theoretical basis of the proposed method.

Таким образом, с помощью компенсатора надо скомпенсировать величину Δ α для того, чтобы оставить неизменной яркость прошедшего через образец луча. Диапазон изменения длины волны наиболее целесообразно выбрать так, чтобы Δ α был менее одного порядка. Такую величину легко компенсировать автоматическим устройством. Thus, with the help of a compensator, it is necessary to compensate for the value of Δ α in order to leave the brightness of the beam transmitted through the sample unchanged. The range of wavelength changes is most appropriate to choose so that Δ α is less than one order. This value is easily compensated by an automatic device.

На фиг. 1 представлена структурная схема реализации предлагаемого способа измерения, где 1 образец, 2 лазер (например, полупроводниковый), 3 электромагнит, 4 генератор напряжения, 5 компенсатор 5 в виде клина, 6 анализатор, 7 фотоприемник, 8 преобразователь, 9 привод клина, 10 датчик перемещения клина, 11 измерительный блок. In FIG. 1 is a structural diagram of the implementation of the proposed measurement method, where 1 sample, 2 laser (for example, a semiconductor), 3 electromagnet, 4 voltage generator, 5 compensator 5 in the form of a wedge, 6 analyzer, 7 photodetector, 8 converter, 9 wedge drive, 10 sensor moving wedge, 11 measuring unit.

Луч поляризованного света от лазера 2 проходит через образец 1, компенсатор 5, анализатор 6 и поступает на фотоприемник 7 (например, фотоумножитель типа ФЭУ). Векторы поляризации луча лазера и анализатора 6 перпендикулярны друг другу, а вектор оптической анизотропии образца направлен по биссектрисе угла между ними. Клин компенсатора 5 расположен так, чтобы уменьшать разность хода основного и неосновного лучей (перпендикулярно вектору анизотропии образца). Сигнал фотоприемника 7 поступает на преобразователь 8, который с помощью, например, электродвигателя 9 перемещает клин таким образом, чтобы сигнал фотоприемника 7 оставался постоянным. При этом изменение положения клина фиксируется датчиком 10. A beam of polarized light from a laser 2 passes through sample 1, a compensator 5, an analyzer 6, and arrives at a photodetector 7 (for example, a photomultiplier of the PMT type). The polarization vectors of the laser beam and the analyzer 6 are perpendicular to each other, and the optical anisotropy vector of the sample is directed along the bisector of the angle between them. The wedge of the compensator 5 is located so as to reduce the difference in the path of the main and minor rays (perpendicular to the anisotropy vector of the sample). The signal of the photodetector 7 is fed to the converter 8, which, using, for example, an electric motor 9, moves the wedge so that the signal of the photodetector 7 remains constant. In this case, the change in the position of the wedge is detected by the sensor 10.

Генератор 4 с помощью электромагнита 3 изменяет длину волны излучения лазера 2 в определенном диапазоне от λ₁ до λ₂. При этом компенсатор 5 изменяет свое положение от h₁ до h₂ (при постоянном сигнале после фотоприемника 7). Измерительный блок индицирует величину двулучепреломления, пропорциональную соотношению
α

Вместо оптического клина 5 можно применить компенсатор Бабине или Берека. Тогда надо будет измерять не величину перемещения клина, а угол поворота компенсатора.Generator 4 using an electromagnet 3 changes the wavelength of the radiation of laser 2 in a certain range from λ ₁ to λ ₂ . In this case, the compensator 5 changes its position from h ₁ to h ₂ (with a constant signal after the photodetector 7). The measuring unit displays a birefringence value proportional to the ratio
α

Instead of the optical wedge 5, you can use the compensator Babin or Berek. Then it will be necessary to measure not the amount of wedge movement, but the angle of rotation of the compensator.

Другой вариант реализации способа измерения с использованием компенсатора совершенно другого типа. Например, в качестве компенсатора используется оптически активный элемент (например, сегнетодиэлектрик) с напылением металла на его верхней и нижней поверхностях. В этом случае структурная схема прибора соответствует представленной на фиг. 2. Элементы 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 11 соответствуют обозначенным на фиг. 1. Элемент 5 представляет собой указанный выше оптически активный элемент с напылением металла. Блок 12 подает напряжение на этот элемент. Компенсирующий эффект элемента 5 пропорционален подаваемому напряжению. Преобразователь 8 так изменяет напряжение, поступающее с блока 12, чтобы оставить неизменным сигнал от фотоприемника 7. Измерительный блок 11 в этом случае индицирует величину двулучепреломления, пропорциональную соотношению
α

где ΔU диапазон изменения напряжения на элементе 5.Another embodiment of a measurement method using a compensator of a completely different type. For example, an optically active element (for example, a ferroelectric) with the deposition of metal on its upper and lower surfaces is used as a compensator. In this case, the block diagram of the device corresponds to that shown in FIG. 2.

Elements

1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 11 correspond to those indicated in FIG. 1. Element 5 is the above optically active metal-coated element. Block 12 supplies voltage to this element. The compensating effect of element 5 is proportional to the applied voltage. The transducer 8 changes the voltage coming from block 12 so that the signal from the photodetector 7 remains unchanged. The measuring block 11 in this case displays a birefringence proportional to the ratio
α

where ΔU is the voltage variation range at element 5.

Claims

A method for measuring the magnitude of birefringence, including transmitting a monochromatic polarized light beam through a sample with a polarization vector at an angle of 45 ^o to the direction of optical anisotropy and measuring the intensity of light transmitted through the sample beam, characterized in that the wavelength of the light beam is changed, while the compensator is supported constant signal at the output of the photodetector by a corresponding change in the parameter that determines the compensation effect, and the magnitude of birefringence is determined by ratio range of variation of said parameter compensator with its corresponding range of variation of light source beam wavelength.