страница - 19
Сложность измерений заключается в том, что интенсивность рассеянного света в высокопрозрачных оптических материалах может быть значительно (в сотни и более раз) меньше интенсивности "прямого" света, Поэтому в качестве источника света предпочтительны лазеры с высокой интенсивностью излучения. В этом случае абсолютная величина рассеянного потока позволяет достичь хорошего отношения сигнал/шум, особенно при модуляции излучения и его дополнительной спектральной фильтрации на входе фотоприемника с помощью интерференционного светофильтра.
Измерения проводят в области малых углов. Особенность подобных измерений состоит в необходимости применения точного гониометра, поскольку интенсивность рассеянного света возрастает по мере приближения к оси пучка. Обычно проводят измерения значений тх для ряда углов а и затем экстраполируют полученную зависимость тх = т% (а) до значения т% (0) при а -» 0.
Измерения КРС имеют особое значение в новых областях техники - производстве материалов для волоконно-оптических линий связи и оптических элементов сверхмощных лазеров, где рассеяние света во многом определяет качество изделий.
Измерения КРС для сильно рассеивающих материалов (бумага, матовые стекла, ряд полимеров, растворы и пр.) производят с помощью гониофотометров. В лазерном го-ниофотометре (ЛГФ) образец (пластина из исследуемого материала, кювета с раствором и пр.) освещается лазером. Излучение, рассеянное в полусферу, анализируется с помощью световодов, расположенных под различными углами к образцу и направляющих свет на фотоприемники.
Возможна схема с механическим сканированием излучения с помощью единичного световода, перемещаемого по дуге окружности с центром в середине образца. В ряде случаев, для оценки КРС образцов с неровной поверхностью (кристаллы и т.п.) они могут помещаться в иммерсионную жидкость для устранения бликов отраженного света.
Описанные выше гониофотометры универсальны, но сложны и требуют тщательной юстировки.
В промышленности часто применяют фотометры с фиксированным углом приема
излучения, обычно 45° или 90° к оси падающего пучка. Эти приборы, называемые нефелометрами (измерители мутности), применяют для концентрационного колориметрического анализа, так как КРС в ряде случаев функционально связан с количественным содержанием химического элемента.
1.6.3.4. ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПРОПУСКАНИЯ
Для оптически прозрачных изотропных нерассеивающих сред (полированные стекла, кюветы с жидкостью и т.п.) применяют метод измерения в параллельных пучках при ортогональном падении лучей света на образец. С помощью фотометра (или спектрофотометра) интегральные (или спектральные) коэффициенты пропускания определяют как отношение интенсивностей прошедшего через объект и падающего на него излучения. Измерения проводят в естественном или поляризованном свете. Возможен относительный метод измерения (сравнение коэффициентов пропускания образца и эталона в равных условиях).
Для оптически активных, двулучепре-ломляющих сред при измерениях оговаривают направление плоскости поляризации лучей, падающих на объект.
Часто используется денситометрический (спектроденситометрический) метод измерения, при котором с помощью логарифмического фотодетектора непосредственно измеряется оптическая плотность образца. Соответствующие приборы - денситометры обычно имеют спектральную характеристику, близкую к спектру чувствительности зрения, реализуемую с помощью светофильтров.
Измерение пропускания (или оптической плотности) рассеивающих материалов производят обычно с помощью оптических интеграторов типа шара Ульбрихта, устанавливаемых непосредственно за образцом. Объект освещается либо коллимированным (например, лазерным) пучком лучей, либо диффузным, реализуемым с помощью дополнительного рассеивателя (молочное стекло, диффузор в виде полой сферы и т.д.).
Измерения могут выполняться, как и в случае определения всех других оптических характеристик, в широком спектральном диапазоне или в монохроматическом излучении, естественном или поляризованном свете, при различной интенсивности (в экспериментах по нелинейной, силовой оптике) и геометрии падения (приема) лучей.
Индикатриссы рассеяния света регистрируют с помощью гиниофотометров. Точность измерения достигает 1 + 2 % и менее при тщательной подготовке аппаратуры, угловое разрешение от 10" до 2°.
Метрологическое обеспечение измерения коэффициентов пропускания или оптической плотности основано на использовании высокостабильных нейтральных или цветных светофильтров, эталонах оптической плотности (с диапазоном ослабления до 5 + 6 порядков, т.е. с плотностью до 5 + 6 Белл).
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
67
1.6.3.5. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ
В зависимости от используемого физического принципа их можно разделить на оптико-геометрические, интерференционные, рефлектометр ические и иммерсионные.
Оптако-геометричесжле методы основаны на использовании законов преломления света. Например, если образец имеет форму призмы
с углом при вершине an (рис. 1.6.6, а), то
показатель его преломления связан с экспериментально определяемым с помощью гониометра углом a , соответствующим ходу луча в призме параллельно ее основанию, соотношением
« = sin[(8+a)]/[sin(«)].
Авто коллимационный вариант метода (рис. 1.6.6, б) базируется на измерении угла a , при котором совпадают направления падающего и отраженного лучей. Выходная грань призмы обычно алюминируется.
В способе скользящего падения лучей (рис. 1.6.6,. в) углу падения придается максимальное значение (a = 90° ), источник располагается в плоскости входной грани призмы. Пучок лучей от источника конечных размеров всегда дивергирован, т.е. содержит лучи, распространяющиеся в пределах некоторого телесного угла. При этом за счет эффекта полного внутреннего отражения (ПВО) наблюдатель видит резкую границу светлого и темного полей. Положение ее соответствует условию ПВО для лучей, падающих из призмы на границу среда - воздух.
Погрешность измерения оптико-геометрическими методами обычно 10~п при использовании гониометров, определяющих углы с точностью 1 - 5". Размер призм 20 -
40 мм, угол a = 60° .
Для измерения малых разностей показателей преломления используют дифференциальные рефрактометры (рис. 1.6.6, г). При
равенстве показателей преломления П\ = п2
луч выходит из блока призм без отклонения. При наличии разности
Ал = П\ - п2
луч отклоняется. Это отклонение А х связано
с расстоянием от призмы / до анализатора изображения соотношением
A/i = Ax/(/-tga).
Погрешность составляет ± Ю-7 при / = 103 мм.
При использовании полых призм возможно измерение показателей преломления жидкостей и газов.
Для измерения спектральных показателей преломления, в том числе в УФ- и ИК-областях спектра, используют соответствующие приемники и источники излучения в сочетании со спектрофотометрами или светофильтрами.
Метод призмы реализован в ряде конструкций специальных приборов (Ченса, Джелли и т.д.), из которых наиболее распространены рефрактометры Пульфриха и Аббе, основанные на методе предельного угла.
Рис. 1.6.6. Схемы рефрактометрических методов:
а - преломляющей призмы; б - автоколлимационной призмы; в - скользящего падения лучей; г - дифференциальный; д - Пульфриха; е - Аббе
В рефрактометре Пульфриха (рис. 1.6.6, д) образец с помощью иммерсионной жидкости устанавливается на измерительной призме с известным показателем преломления N. Измерением угла р, характеризующего положение границы раздела, определяют показатели преломления образца по формуле
n = J N2 -sin2p .
Образец может быть помещен в термостатированную кювету.
Погрешность порядка 10" п .
В рефрактометре Аббе (рис. 1.6.6, е) введена дополнительная (осветительная) призма, что позволяет, в частности, измерять показатели преломления жидких и твердых сред в белом свете с помощью специального компенсатора хроматизма (призмы Амичи).
Этот компенсатор позволяет измерять и дисперсию образцов, в том числе термостатированных.
Существуют также рефрактометры предельного угла с неподвижными оптическими элементами, так называемые погружные, применяемые для экспресс-анализа жидкостей.
Ивтевференционные методы рефрактометрии основаны на измерении малых разностей показателей преломления, вызывающих соответствующее изменение оптической длины хода лучей, проходящих через эталонный и рабочий образцы. Используются стандартные схемы интерферометров Релея, Жамена, Май-кельсона, Тваймена. Разработаны голографи-ческие интерферометры, а также близкие к ним по принципу действия оптические томографы. Последние позволяют, в частности, восстанавливать профиль показателя преломления в объекте по результатам его зондирования лазерным лучом с разных направлений. Так измеряют профиль показателя преломления в оптических волокнах, газовых струях и т.п. объектах.
Интерференционные рефрактометры применяют в основном для анализа показателей преломления жидкостей и газов - в аэродинамике, в газоанализе и т.д. Чувствительность достигает 10~9 для газов и 10~8 для жидкостей при условии хорошего термостатирова-ния кювет и достаточной их длины (5 - 3 м).
Рефлектометрические методы рефрактометрии. Исследование интенсивности и поляризации света,- отраженного от границы раздела сред, позволяет измерять показатели преломления неоднородных анизотропных и сильнопоглощающих сред, тонких пленок и поверхностных слоев. Метод не требует специальной подготовки образца, причем локальность контроля составляет до 0,01 мм.
Существуют фотометрический и эллип-сометрический варианты данного метода.
В первом случае измеряют коэффициенты отражения Rp и Rs для света, поляризованного параллельно и перпендикулярно плоскости падения, а также для естественного света.
В эллипсометрическом варианте измеряют скачки фаз Ър и bs, их разность
А =5р-5,,
а также отношение амплитуд гр и /у отраженного света для р- и s- поляризации, т.е.
у = arctg J~Tp~pTs •
Энергетические и поляризационные характеристики отраженного света зависят от состояния поляризации падающей световой волны, угла падения лучей / на поверхность и показателя преломления сред. Обычно различают внешнее (свет падает на среду из воздуха,
«21 > 1) и внутреннее отражение (п2\ < 1).
Зависимость Rp, Rs и Д, от угла падения света для внешнего и внутреннего отражения показана на рис. 1,6.7. Значения характерных углов Брюстера /g (полной поляризации) и предельного /с определяются выражениями
/*Б = arctg «21 и /с = arcsin/i2i.
Видно, что крутизна зависимости R = R (/) для ПВО существенно выше, что определяет большую точность этого метода.
Таким образом, зная показатель преломления одной из сред и измерив один из параметров, описанных выше, можно определить показатель преломления второй среды.
Для поглощающих сред коэффициенты поглощения К Ф 0 (К = ДО-4 + 1 для диэлектриков, К = 1 + 10 для металлов).
Отношение комплексных коэффициентов отражения имеет вид
Р = РР / Ps =tg\/-exp(/A).
Комплексный показатель преломления среды N вычисляют по известному значению показателя преломления п и величине К.
При анализе анизотропных сред следует фиксировать ориентацию оптической оси кристалла.
Погрешность определения п и К составляет ДО-3, если параметры л, \/ и / измерены
с точностью ± 0,01° .
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3] [стр.4] [стр.5] [стр.6] [стр.7] [стр.8] [стр.9] [стр.10] [стр.11] [стр.12] [стр.13] [стр.14] [стр.15] [стр.16] [стр.17] [стр.18] [стр.19] [стр.20] [стр.21] [стр.22] [стр.23] [стр.24] [стр.25] [стр.26] [стр.27] [стр.28] [стр.29] [стр.30] [стр.31] [стр.32] [стр.33] [стр.34] [стр.35] [стр.36] [стр.37] [стр.38] [стр.39] [стр.40] [стр.41] [стр.42] [стр.43] [стр.44] [стр.45] [стр.46] [стр.47] [стр.48] [стр.49] [стр.50] [стр.51] [стр.52] [стр.53] [стр.54] [стр.55] [стр.56] [стр.57] [стр.58] [стр.59] [стр.60] [стр.61] [стр.62] [стр.63] [стр.64] [стр.65] [стр.66] [стр.67] [стр.68] [стр.69] [стр.70] [стр.71] [стр.72] [стр.73] [стр.74] [стр.75] [стр.76] [стр.77] [стр.78] [стр.79] [стр.80] [стр.81] [стр.82] [стр.83] [стр.84] [стр.85] [стр.86] [стр.87] [стр.88] [стр.89] [стр.90] [стр.91] [стр.92] [стр.93] [стр.94] [стр.95] [стр.96] [стр.97] [стр.98] [стр.99] [стр.100] [стр.101] [стр.102] [стр.103] [стр.104] [стр.105] [стр.106] [стр.107] [стр.108] [стр.109] [стр.110] [стр.111] [стр.112] [стр.113] [стр.114] [стр.115] [стр.116] [стр.117] [стр.118] [стр.119] [стр.120] [стр.121] [стр.122] [стр.123] [стр.124] [стр.125] [стр.126] [стр.127] [стр.128] [стр.129] [стр.130] [стр.131] [стр.132] [стр.133] [стр.134] [стр.135] [стр.136] [стр.137] [стр.138] [стр.139] [стр.140] [стр.141] [стр.142] [стр.143] [стр.144] [стр.145] [стр.146] [стр.147] [стр.148] [стр.149] [стр.150] [стр.151]