книги из ГПНТБ / Кривовяз, Л. М. Практика оптической измерительной лаборатории

Слой жидкости имеет форму плоскопараллельной пластинки и поэтому не оказывает никакого влияния на результаты измере­ ний. Действительно, согласно закону преломления для точек А,

В и С (рис. 15)

П — пжSin І\ = пжSin /2 = п0Sin І2 !

n0 Sin i3 = n0COS І2 = sin i,

откуда следует равенство (7).

Однако в том случае, когда слой жидкости имеет форму клина, возникает погрешность в измерении п:

Клиновидность формы слоя жидкости можно контролировать путем непосредственного наблюдения интерференционных полос, которые располагаются параллельно ребру клина. Ширина по­

мами руки притирают так, чтобы совершенно уничтожить клин, или добиваются расположения интерференционных полос парал­ лельно плоскости вращения трубы.Т (см. рис. 15), когда клино­ видность жидкости не имеет значения.

Для выполнения измерений на рефрактометре типа Пульфриха

Полированные стороны образца и рабочую поверхность призмы протирают мягкой тканью, смоченной спиртом или бензином. На рабочую поверхность образца с помощью стеклянной палочки наносят каплю жидкости, показатель преломления которой дол­ жен быть больше показателя преломления исследуемого стекла. Для этой цели применяют альфа-монобромнафталин (nD = 1,66), йодистый метилен чистый (пп = 1,74) и йодистый метилен, насы­ щенный серой (nD — 1,79). Испытуемый образец накладывают на

40

призму рефрактометра полированной поверхностью с каплей жид­ кости так, чтобы его другая полированная поверхность была обра­ щена в сторону конденсора. Клиновидность слоя жидкости устра­ няют указанным выше способом. Окончательно установленный образец во время измерений трогать нельзя.

Источник света необходимо устанавливать так, чтобы его изображение проектировалось конденсором на плоскость, распо­ ложенную близко к входной грани эталонной призмы или непо­ средственно на прямой угол образца. При правильном положении источника света верхние границы спектральных линий, наблю­ даемые в зрительную трубу, должны быть не только резкими, но и соответствовать действительным предельным границам выхода лучей данной длины волны. Увеличение резкости границ дости­ гается сужением спектральных линий с помощью шторок с зубча­ тым краем у конденсоров, а также уменьшением рассеянного света, попадающего в зрительную трубу, с помощью диафрагмы у объектива трубы. Чтобы определить, является ли верхняя гра­ ница спектральной линии действительно предельной, поступают следующим образом. На верхнюю границу спектральной линии наводят перекрестие и наблюдают смещение спектральной линии при различных смещениях источника света, т. е. при сбивании установки. Если установка была правильной, то при смещении источника света в любом направлении спектральная линия будет смещаться только вниз от положения предельной границы. В этом случае источник света следует вернуть в первоначальное поло­ жение, которое, как показала проверка, было правильным. В про­ тивном случае добиваются такой установки источника света, при которой положение верхней границы спектральной линии было бы наивысшим при одновременной резкости этой границы и яркости спектральной линии.

Собственно процесс измерения сводится к измерению угла і (см. рис. 15), для чего зрительную трубу Т сначала устанавливают перпендикулярно выходной грани эталонной призмы (положе­ ние /), что проверяют по автоколлимационному изображению перекрестия. Затем зрительную трубу поворачивают до совмеще­ ния центра перекрестия с верхней границей спектральной линии (положение II). В нижней части рис. 15 показан вид поля зрения для положений / и II зрительной трубы. Угол поворота-зритель- ной трубы и представляет собой угол і. Подставляя найденное значение угла і в формулу (7), вычисляют значение п.

Для анализа точности определения коэффициента преломле­ ния п продифференцируем формулу (7) по переменной і:

b n = J L ^ L Ai.

2п

Очевидно, что погрешность Ап достигает максимального зна­

41

Таким образом, чтобы погрешность в определении п не пре­ восходила 1. ІО-4, достаточно измерить угол-г с точностью Дг = Г, что в несколько раз грубее, чем в наиболее точном гониометриче­ ском способе измерения показателя преломления по углу наи­ меньшего отклонения.

Другие погрешности измерений, связанные с точностью опре­ деления показателя преломления п 0 эталонной призмы и ее пре­ ломляющего угла Ѳ, носят систематический характер и могут быть исключены при обработке 'результатов измерений. Требова­ ния к п 0 и 0 учтены в выпускаемых приборах в виде соответствую­ щих допусков на изготовление эталонной призмы. Точные значе­ ния п 0 для эталонных призм приведены в паспортах рефракто­ метров.

Для измерения средней дисперсии Ап = пР— пс в качестве источника света используют водородную трубку, в спектре излу­

на компенсационном принципе. В качестве компенсатора исполь­ зуются две спектральные призмы прямого зрения (призмы Амичи). Поворачивая призмы относительно друг друга, определяют такое их положение, при котором их дисперсия равна по величине, но противоположна по знаку дисперсии системы: исследуемый обра­ зец — эталонная призма. Однако точность измерения дисперсии сравнительно невысока.

И н т е р ф е р е н ц и о н н ы й м е т о д И. В. О б р е и м о в а

Метод Обреимова [52] относится к числу иммерсионных, осно­ ванных на использовании явления исчезновения видимости кон­ туров стекла, погруженного в жидкость. Это явление наблюдается на той длине волны монохроматического света, для которой пока­ затели преломления жидкости и стекла одинаковы.

Основное отличие метода Обреимова от других иммерсионных методов заключается в том, что момент наступления равенства показателей преломления стекла и жидкостей устанавливается с очень высокой точностью по интерференционной картине, наблю­ даемой у контуров стекла, помещенного в жидкость. Метод Обреи­ мова не требует специально изготовленных образцов и позволяет измерить показатели преломления небольших осколков стекла,

42

линз с неизвестными радиусами, призм и т. п. Для измерения дисперсии точность метода можно повысить до 2. ІО-5. Однако в практике оптических лабораторий этим методом обычно изме­ ряют только показатели преломления с точностью ± 10~4.

Схема установки Обреимова изображена на рис. 16.

В кювету 2 наливают жидкость приблизительно с таким же показателем преломления, как и у испытуемого стекла. Иммер-

.2

сионные жидкости в зависимости от показателей преломления стекла приготовляются из следующих составляющих:

Необходимый показатель преломления жидкости получается путем подбора соответствующих жидкостей [75], для чего можно использовать формулу

При измерениях с точностью ±2. 10~5 кювету помещают в бак с плоскими стеклянными стенками. Бак наполняется водой ком­ натной температуры. При измерениях с точностью ± 1. ІО-4 такого термостатирования не требуется.

Эталоном служит плоскопараллельная стеклянная пластина 3, показатель преломления которой близок к показателю преломле­

43

сошлифован так, что образована треугольная площадка со сторо­ нами 2—3 мм. Для увеличения точности желательно, чтобы тол­ щина образца 4 в зоне измерений была не менее толщины эталона. Поэтому края осколка стекла не должны быть острыми.

Принцип измерения поясняется на рис. 17, где показаны кри­ вые дисперсии эталона Э, испытуемого образца О и иммерсионной жидкости Ж. Дисперсия жидкостей всегда больше дисперсии обычных стекол. Поэтому, если кривые О и Э достаточно близки друг к другу, то всегда можно подобрать такую иммерсионную жидкость, что кривая Ж будет пересекать обе кривые О и Э в ви­ димой области спектра, а пересечение кривых Ж и О произой­

дет вблизи заданной длины волны.

Физическая сущность ме­ тода Обреимова основана на использовании интерферен­ ции лучей, дифрагирован­ ных на краях образца и эталона. Этот вид дифрак­ ции относится к френелевой дифракции, основное отличие которой от других видов ди­ фракции заключается в том, что она локализована всюду

в пространстве после преграды, вызвавшей дифракцию. В методе Обреимова такой преградой служит эталон или образец.

Если для какой-либо длины волны Яэ (см. рис. 17) показатели преломления жидкости и эталона одинаковы, то для лучей этой длины волны жидкость и эталон представляют собой оптически однородную среду. Никаких дифракционных явлений на краях эталона не возникает, поэтому в поле зрения лупы контуры эта­ лона исчезают. На практике полного исчезновения не возникает по разным причинам: загрязнение поверхностей, более высокая прозрачность стекла по сравнению с жидкостью и т. п. Все ска­ занное правомерно и для образца при длине волны Я0.

В том случае, когда показатели преломления жидкости и эта­ лона (или образца) неодинаковы, возникает дифракция лучей, т. е. отклонение их в область «геометрической тени», создаваемой эталоном. Эти лучи интерферируют между собой с разностью хода

б = (пж— пэ) d = тХ\

где пж и пэ — соответственно показатели преломления жидкости и эталона;

d — толщина эталона; Я — длина волны света.

Всякий раз, когда т — целое число, вдоль рабочего ребра эталона располагается светлая интерференционная полоса и эта­ лон почти исчезает на общем светлом фоне. Если 2 т '— целое

44

нечетное число, то ребро эталона становится темным. Чтобы отли­ чить нулевую полосу (т = 0) от других полос, используют сошли­ фованный угол эталона. Этот участок рабочей грани эталона исче­ зает только при т = 0.

Вдоль контуров образца наблюдаются аналогичные явления, однако из-за неравномерной толщины образца исчезновение его контуров может произойти только для одной длины волны спектра.

Начинать измерения необходимо с определения кривой дис­ персии подобранной жидкости. Для этого отмечают по барабану монохроматора те длины волн, которые соответствуют ряду свет­ лых интерференционных полос, и вычисляют

, гпК

Кривая дисперсии эталона должна быть определена заранее любым из известных способов.

Собственно процесс измерений заключается в следующем.

1. Находят момент исчезновения контура ребра эталона и по барабану монохроматора снимают отсчет Хэ.

2.Вращая барабан монохроматора в сторону длинных волн

исчитая при этом число т светлых полос, прошедших через ребро эталона, определяют длину волны Х0, при которой произошло исчезновение образца.

3.Определяют дробную часть полосы Ат, снимая отсчеты Кт

и^т+і по барабану монохроматора при установке на ближайшие

Ат

^т+1 ‘

Полученное число полос т + А т соответствует разности хода лучей между эталоном и равным ему по толщине d слоем жидкости при длине волны А,0:

(пэ — пж) d = (т + Ат) Х0,

откуда показатель преломленияобразца п, равный показателю преломления жидкости при длине волны ^ 0, будет

Чувствительность метода ограничивается точностью измере­ ния дробной части Ат интерференционной полосы. Практика показала, что эта точность А т «== Ѵ3о полосы, поэтому

Ап

30d '

При Я0 — 600 нм и d = 2 мм получим Ап = 0,00001.

45

Метод Обреимова применяется также на стекловаренных заво­ дах для официальной аттестации оптических стекол по показа­ телю преломления. В этих случаях измерения должны выпол­ няться в соответствии с ГОСТом 5421—56.

2. Ультрафиолетовая область спектра

Оптическое излучение, характеризующееся длинами волн, рас­ положенными в диапазоне от 50 Â до 0,4 мкм, называется ультра­ фиолетовым излучением, а соответствующая область спектра — ультрафиолетовой.

Рис. 18. Оптическая схема прибора для измерения показа­ телей преломления в ультрафиолетовой области спектра

Для измерения показателей преломления твердых материалов, прозрачных в ультрафиолетовой области спектра, может служить прибор, разработанный Ю. А. Степиным. Оптическая схема при­ бора представлена на рис. 18. Изображение источника света 9 (искра в вакууме) проектируется с помощью конденсора 8 на входную щель 7, установленную в фокусе зеркального объек­ тива 5, после которого лучи света идут параллельным пучком и падают на диспергирующий элемент 4, состоящий из двух призм А и Б. Призма А изготовлена из исследуемого материала, призма Б — из материала с хорошо изученной дисперсией!в ка­ ком-либо участке фотографической области спектра. Преломляю­ щие углы призм выбираются из условия перекрытия спектром призмы Б того участка спектра призмы А, для которого необхо­ димо измерить показатели преломления исследуемого материала.

46

Далее диспергированный световой поток падает на поворотное плоское зеркало 3, предназначенное для выведения на фотопла­ стинку 2 нужного участка спектра. Зеркальный объектив 1 выпол­ няет роль фотографического объектива. Элементы 10— 15 обра­ зуют систему, служащую для установки диспергирующего эле­ мента 4 в правильное положение, при котором угол падения лучей на входную грань призм А и Б равен нулю (способ луча, нормально входящего).

Призмы А и Б склеены так, что их входные грани и главные сечения параллельны. Все элементы оптической системы, кроме 10—15, расположены в вакуумной камере. Зеркало 6 является

коллимационных изображений щели 7 и перекрестия, нанесен­ ного на плоскопараллельной пластинке 13. Пользуясь наклонами и поворотами зеркала 6, совмещают автоколлимационные изобра­ жения щели и перекрестия, что исключает ошибку установки зеркала 6 (пучки лучей от источников 9 и 15 идут по одному на­ правлению). После этого устанавливают диспергирующую призму 4 так, чтобы автоколлимационное изображение перекрестия пла­ стинки 13 совпало с перекрестием 11. Зеркало 6 выводят из хода лучей. Затем перекрывают нижнюю половину щели 7, призму А, верхнюю половину фотопластинки 2 и затем фотографируют спектр призмы 4.

Аналогичным образом фотографируют спектр от призмы А и получают на снимке два раздельных спектра (рис. 19). Показатель

47

11 — расстояние между спектральными линиями и Х2, измеренное на компараторе;

/ 2 — расстояние между спектральными линиями X и Ѳэ и Ѳи — преломляющие углы соответственно эталонной Б

и исследуемой А призм.

Максимальная ошибка измерений этим способом примерно в 2 раза больше погрешности значений известных показателей преломления п х и п 2 при Ѳэ — Ѳи и в 4 раза при Ѳэ >> Ѳи, если

шинстве случаев.

3. Инфракрасная область спектра

Оптическое излучение, характеризующееся длинами волн, рас­ положенными в диапазоне от 0,76 мкм до 1 см, называется инфра­ красным излучением, а соответствующая области спектра — инфракрасной.

В оптическом приборостроении используются материалы, для которых необходимо определять показатели преломления главным образом в диапазоне длин волн от 0,76 до 50 мкм.

Известные для видимой области спектра гониометрические методы в принципе могут быть распространены для измерения показателей преломления в инфракрасной области спектра при использовании зеркальной оптики и теплового или фотоэлектриче­ ского приемника.

В качестве источников инфракрасного излучения можно ис­ пользовать электрические лампы накаливания, штифт Нернста, силитовый излучатель и др. [78].

Для измерения показателей преломления оптических мате­ риалов в диапазоне длин волн от 0,76 до 50 мкм может служить прибор (инфракрасный гониометр ИГ-63), разработанный Ю. А. Степиным. Оптическая схема этого прибора состоит из двух частей: оптической схемы осветителя и монохроматора (рис. 20) и оптической схемы отсчета углов по лимбу гониометра. В основу схемы осветителя и монохроматора положена оптическая схема инфракрасного спектрометра ИКС-21. Основное отличие схемы прибора ИГ-63 от схемы ИКС-21 состоит в замене призмы моно­ хроматора и зеркала Литтрова автоколлимационной дисперги­ рующей призмой, изготовляемой из исследуемого материала.

Сферическое зеркало 4 проектирует источник света 1 на вход­ ную щель 8. Входная 8 и выходная 17 щели прибора находятся в фокальной плоскости объектива 10, представляющего собой вне­ осевую часть параболлоида. Свет после объектива падает парал­ лельным пучком на зеркало 13 и отражается от него на призму 11, изготовленную из исследуемого материала. Свет, диспергирован-

48

ный призмой, снова попадает на объектив 10, дающий изображе­ ние спектра в плоскости выходной щели 17, которая находится в одном из фокусов эллипсоида 14. В другом фокусе эллипсоида установлен приемник инфракрасного излучения, например ОАП-3. Зеркала 9, 16 и 3 служат для поворота оптической оси прибора. Эллиптическое зеркало 14 проектирует выходную щель 17 на

ѣ

Рис. 20. Оптическая схема прибора для измерения показателей преломления в инфракрасной области спектра

окно приемника. Источник света / располагается вне прибора и отделяется от герметической части его окном 2. Кюветы 6 с ве­ ществами, полосы поглощения которых служат для идентифика­ ции длин волн, устанавливаются в специальную камеру, отделен­ ную от прибора окнами 5 и 7. Пластина 12 служит окном т.ермостатирующего устройства. Элементы 2, 5, 7, 12 и кюветы 6 смен­ ные. В области спектра от 0,7 до 7 мкм используют указанные элементы, изготовленные из флюорита, в области от 7 до 25 мкм — из бромистого калия, в области от 25 до 50 мкм —• из йодистого цезия.

Для правильной установки призмы на столике гониометра служит автоколлимационное устройство со светоделительным ку­ биком 21. Лампочка 18 через конденсор 19 освещает перекрестие