автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Комплексная методология интерференционных исследований преломляющих характеристик оптических материалов

Министерство общего н профессионального образования Российской Федерации САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи УДК 535.411

ГЕРАСИМОВА Людмила Анриевна

КОМПЛЕКСНАЯ МЕТОДОЛОГИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРЕЛОМЛЯЮЩИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.11.07 - оптические и оптико-электронные приборы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена на' кафедре Квантовой электроники и биомедицинской оптики Санкт-Петербургского Государственного Института Точной Механики и Оптики (Технического университета)

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Доктор технических наук, профессор Доктор технических наук, профессор

Доладугина В.С Зверев В А. Скоков И.В.

Ведущая организация - АО "ЛОМО" (Санкт-Петербург)

Защита диссертации состоится "I1997 г. на заседании Специализированного Совета Д 053.26.01 при Санкт-Петербургском Институте Точной Механики и Оптики (197101, С-Петербург, ул.Саблинская, д. 14).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Ваши отзывы и замечания по автореферату (в 3-х экз.), заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу Ученому Секретарю Специализированного Совета.

Автореферат разослан "3" ЛМбЬ&Ш! г.

О

Ученый Секретарь Специализированно! Совета Д 053.26.01, кандидат технических наук 1 .

В.М. Красавцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современный уровень оптического производства характеризуется использованием как традиционных оптических материалов высокого качества, так и новых типов оптических материалов. Создание материалов с заданным комплексом свойств стало одним из основных направлений технического прогресса. Повышение качества современных оптических приборов достигается, прежде всего, за счет создания новых оптических материалов, комплекс физико-химических свойств которых определяет предельные функциональные возможности оптической системы.

Оптическое стекло, по-прежнему, остается основным традиционным материалом в оптическом производстве. Применение стекла в самых различных областях оптики и выявление все новых направлений, где, именно, стекло позволяет наилучшим образом решать поставленные задачи, стимулирует расширение номенклатуры оптических стекол путем создания оптических стекол с новыми характеристиками (атермальные, сверхпрозрачные, лазерные фосфатные неодимовые стекла и т.д.).

Активное развитие полимерной оптики, которая служит средством для решения новых технических задач, связанных со снижением массы, повышением ударопрочности и улучшением технологичности конструкций оптических изделий, обусловило развитие исследований в области разработки и производства различных оптических полимеров дня оптических элементов, работающих в видимой и инфракрасной областях спектра (полиметилметакрилат, полистирол, поликарбонат,

полидиаллилгерефталат и т. д.).

В последнее время в оптическом производстве резко возросло значение оптических материалов с заданным распределением показателя преломления (градиентные материалы). Использование оптических элементов с градиентом показателя преломления дает ряд принципиальных преимуществ при построении оптических систем за счет введения новой дополнительной переменной - заданного вида распределния показателя преломления в оптическом элементе.

Решающую роль при выборе оптического материала играет показатель преломления, который является одной из основополагающих величин при расчете оптических систем. Поэтому исследования показателя преломления (рефрактометрические исследования) играют важнейшую роль в оптическом производстве.

Для исследования оптических материалов (включая тонкие пленки) в рефрактометрии существует большое разнообразие методов. Их можно условно объединить в группы по физическим принципам.

которые в них используются (геометрические, теневые, иммерсионные, интерференционные, поляризационные, фотометрические и фазово-контрастные).

Существующие оптические материалы по типу распределения показателя преломления в свою очередь можно условно разделить на следующие группы: однородные, неоднородные и градиентные материалы.

Несмотря на большое разнообразие существующих методов исследования показателя преломления, не существует методов совершенно свободных от недостатков. Все методы, обладая тем или иным достоинством, в то же время либо не являются методами неразрушающего контроля, либо требуют наличия эталона с определенным показателем преломления, либо нуждаются в априорной информации об исследуемом объекте и т.д. Методы исследования преломляющих характеристик имеют ограничения области их применения прежде всего по типу материала (виду распределения показателя преломления). Кроме этого не существует методов, позволяющих производить измерения различных характеристик (показателя преломления и, его распределений в образце, толщины 1 и величины клиновидности а) на одном и том же стандартном оборудовании и основанных на единых физических принципах.

Интерференционные методы исследования дают принципиальную возможность исследования всех типов материала благодаря их высокой чувствительности, точности и возможности получения двумерного распределения показателя преломления по образцу. Поэтому интерференционные физические принципы могут стать основой доя комплекса новых методов исследования, свободных от недостатков традиционных методов и прьтодных для исследования любых типов оптических материалов, включая тонкие пленки. Однако, необходимость в априорной информации об исследуемом объекте остается основным недостатком интерференционных измерений.

Таким образом, несмотря на большое разнообразие существующих методов, не существует методологической базы, позволяющей проводить комплексные бесконтактные исследования преломляющих характеристик различных оптических материалов, независимо от типа распределения показателя преломления, основанной на единых физических принципах и единой стандартной аппаратуре и не зависящей от априорной информации об исследуемом объекте.

Создание и использование новых материалов и структур, таких как градиентные, полимерные и пористые материалы, различные тонкопленочные покрытия и т. п., которые в ряде случаев не могут быть

исследованы существующими методами, определяют необходимость дальнейшего развития методологической базы.

Изложенная совокупность проблем в современной рефрактометрии указывает на актуальность формирования и развития научного направления - комплексной методологии интерференционных исследований преломляющих характеристик оптических материалов. Разработка такой методологии позволит существенно поднять уровень возможностей современной рефрактометрии.

В рамках этого научного направления необходимо создание комплекса интерференционных методов свободных от ограничений, присущих традиционным методам исследования. Разработка комплекса методов, позволяющих проводить измерения различных оптических и геометрических параметров на одном и том же стандартном приборе и образце, представляет интерес не только для серийного оптического производства, но и является первоочередной необходимостью для научно-исследовательских лабораторий, опытных производств и небольших оптических фирм, занимающихся многопрофильными оптическими исследованиями.

Все изложенное указывает на народно-хозяйственную направленность и значимость настоящей работы.

Цель работы - разработка комплексной методологии интерференционных исследований преломляющих характеристик оптических материалов на основе системного развития методологической базы, создания и применения комплекса интерференционных методов с максимальным использованием унифицированных средств измерений, позволяющего проводить исследование однородных, неоднородных, градиентных материалов и тонких пленок, как на стадии их разработки, так и в процессе эксплуатации, а также получать априорную информацию необходимую при использовании разработанных ранее методов.

Основные направления иследовашш. Сформулированная общая цель работы включает в себя необходимость решения следующих основных задач:

- теоретическое обобщение результатов системного анализа существующих традиционных методов исследования преломляющих характеристик оптических материалов по набору критериев, необходимых и достаточных. для корректного выбора методологической и технической базы с целью получения необходимой измерительной информации;

- разработка абсолютных, бесконтактных методов исследования преломляющих характеристик однородных, неоднородных и градиентных материалов в форме плоско-параллельных пластин, оптических клиньев и тонких пленок;

- разработка методов измерения геометрических параметров исследуемых образцов, включающих углы оптических клиньев, толщины пластин и тонких пленок, а также распределение толщины дан образцов с поверхностями, отступающими от плоскости;

- разработка необходимых, в том числе упрощенных, методик по определению преломляющих характеристик и проведение исследований типовых и новых оптических материалов:

- теоретическое и экспериментальное исследование и получение зависимости погрешности предложенных методов от условий проведения эксперимента и параметров используемой регистрирующей аппаратуры, изучение условий повышения точности методов и определение оптимальных условий проведения эксперимента, минимизирующих погрешность измерений.

- создание единого комплекса интерференционных методов с использованием унифицированных средств измерений для исследования преломляющих характеристик однородных, неоднородных, градиентных материалов и тонких пленок и получения априорной информации необходимой для использования традиционных методов.

- проведение классификации традиционных и новых методов исследования для использования при выборе метода и программы исследований исходя из предъявляемых требований к ожидаемому результату, а также технологических, временных, финансовых и других возможностей.

Научная новизна. Разработана замкнутая классификация методов измерения преломляющих характеристик оптических материалов на современной стадии развития измерительной базы и технологий изготовления оптических материалов, включающая известные методы и разработанный комплекс новых методов, позволяющая проводить экспрессный выбор оптимального метода исследований.

Разрабогана комплексная методология интерференционных исследований преломляющих характеристик оптических материалов, которая позволяет осуществлять выбор и реализацию программы комплексных исследований однородных, неоднородных, 1радиентных материалов и тонких пленок исходя из предъявляемых требований к ожидаемому результату, а также технологических, временных, финансовых и других возможностей.

Создан комплекс новых абсолютных и бесконтактных методов, позволяющий проводить измерения различных оптических и геометрических параметров (показателя преломления, его неоднородностей и градиентов, толщин пластин и углов клиньев) на

одной и той же стандартной измерительной базе и образце, и не требующий априорной информации об образце.

Проведены исследования факторов, влияющих на точности разработанных методов. Определены оптимальные условия проведения эксперимента и разработаны соответствующие методики исходя из минимизации погрешности измерений.

Выявлен характер трансформации светового поля градиентной средой в виде оптических клиньев. Доказано, что клиновидный образец с градиентом показателя преломления, направленным параллельно поверхности образца, и перпендикулярно ребру клина, обладает оптической силой. Получены расчетные формулы для фокусного расстояния эквивалентной линзы и распределения толщины.

Предложен способ преобразования любых двупроходных интерференционных схем в однопроходные, на основе которого проведена модификация оптической схемы интерферометра Физо в стандартной измерительной установке ХУОО или ИКД-110.

Продемонстрирована возможность использования предложенных методов для исследований в ИК-областн спектра. Проведены исследования преломляющих свойств нового фотополимерного материала реоксан разработанными методами в видимой и инфракрасной области спектра. Выявлено, что реоксан Имеет чрезвычайно слабую дисперсию в ИК-диапазоне, что делает его перспективным материалом для оптической промышленности в этой области спектра.

Новизна методологических решений подтверждается восемью авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ на изобретения.

Научная и практическая значимость результатов, полученных в ходе исследований, заключается в том, что:

предложенная классификация методов исследования преломляющих характеристик оптических материалов позволяет оптимизировать поиск и выбор метода исследований исходя из практических требований;

- созданный комплекс новых методов исследования позволяет проводить измерения показателя преломления однородных материалов, неоднородностей оптических материалов, распределений показателя преломления в градиентных образцах, толщины и показателя преломления пластин и тонких пленок, малых углов оптических клиньев, исключает контакт с рабочими поверхностями исследуемого объекта, не требует эталонных образцов и использует стандартную аппаратуру для своей реализации. Методы отличаются экспрессностьго, простотой измерительных операций и математических вычислений. Измерение оптических и геометрических параметров образцов оптических материалов предложенными методами может

быть реализовано на стандартном измерительном комплексе (ZYGO или ИКД-ПО), что позволяет значительно расширить область применения оптических методов исследования при высокой эффективности измерений;

- предложены и обоснованы теоретически и экспериментально оптимальные условия проведения измерений, включая параметры образцов и их установку, исходя из минимизации погрешности измерений;

осуществленная модификация оптической схемы интерферометра Физо позволяет проводить комплексные исследования предложенными методами для всех типов оптических материалов на стандартном измерительном комплексе;

- - комплексная методология интерференционных исследований преломляющих характеристик оптических материалов позволяет не только . проводить исследования различных типов оптических материалов на стадии их разработки и в процессе эксплуатации, но и осуществлять выбор оптимальной программы исследований исходя из предъявляемых требований к ожидаемому результату, а также технологических, временных, финансовых и других возможностей.

Реализация результатов работы. Развитые в ходе выполнения диссертационной работы подходы, разработанные методы и найденные технические решения нашли следующие применения:

1. Диссертационная работа является составной частью научно-исследовательской работы, выполненной при участии автора в Санкт-Петербургском Институте Точной Механики и Оптики по теме 0284034: "Разработка научных основ, методов проектирования и исследования оптико-физических приборов и систем для неразрушающего контроля объектов".

2. Результаты диссертационной работы использованы при измерениях показателя преломления фотополимеров в видимой и ИК-области спектра, проводимых в ГЦ "Дальняя Связь" по теме "Темп".

3. Результаты диссертационной работы использованы в научно-исследовательской работе в области прикладной градиентной оптики, проводимой в GRINEXT Company, по контролю распределения показателя преломления при разработке технологии крупногабаритных 1радиентных оптических компонентов.

4. Диссертационная работа является составной частью научно-исследовательской работы, проводимой автором на кафедре теоретической физики Новгородского Государственного Университета по теме "Разработка новых прецизионных интерферометрических методов неразрушающего контроля оптических материалов".

5. Результаты диссертационной работы использованы в научно-исследовательской работе, выполненной автором во время двухлетней

стажировки в University of Tucson и Light Path Company (штат Аризона, США) по исследованию неоднородностей и распределения показателя преломления в крупногабаритных градиентных оптических заготовках.

6. Результаты диссертационной работы были использованы для исследования степени однородности оптических стекол в ОКР "Разработка и изготовление автомата центровки и склейки оптических деталей" и внедрены в Особом конструкторско-тсхнологическом бюро "Омега", г. Новгород.

7. Результаты работы использованы для исследования параметров оптических тонкспленочных покрытий в ОКР "Полигонный комплекс для исследования оптических свойств атмосферы" и внедрены в Новгородском Государственном Университете.

Апробация работы. Материалы диссертации, докладывались и обсуждались на: УШ Всесоюзной научно-технической конференции "Фотометрия и её метрологическое обеспечение" - Москва, ноябрь 1990г. ; на научно-технической конференции молодых учёных и специалистов "Оптика и твёрдотельная электроника" - Минск сентябрь 1989г.; на Всесоюзной Фёдоровской сессии - Ленинград, май 1989г.; на Научной конференции профессорско-преподовательского состава ЛИТМО - Ленинград апрель 1989г. ; на заседаниях профессорско-преподавательского состава кафедры Спектральных и Оптическо-физических приборов ЛИТМО (1988-1991), на Международной Конференции "Education in Optics" - Петербург, сентябрь 1991, где научная работа была отмечена рекомендацией SPIE и грантом; на Международной Конференции "Gradient Index Optica! Systems" -Рочестер, 7-8 июня 1994 г., США; иа II Научной Конференции преподавателей и студентов Новгородского Государственного Университета - Новгород, апрель 1995 г.; на Международном Симпозиуме Optical Science, Engineering, and Instrumentation ( SPIE's 40th Annual Meeting) - Сан Диего, 9-14 июля 1995 г., США; на Международной Конференции "Gradient-Index Optics in Science and Engineering", 12-15 сентября 1995 г., Польша; на 15-ой Международной Конференции "Когерентная и Нелинейная Оптика", Санкт-Петербург, 27 июня - 1 июля 1995 г.

Публикации и личный вклад автора. По теме диссертации опубликовано 27 научных работ, получено 8 авторских свидетельств и патентов, 17 работ из этого количества выполнены без соавторства.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

I. Проведенная классификация методов измерения

преломляющих характеристик оптических материалов, включающая известные методы и разработанный комплекс новых абсолютных

бесконтактных методов, реализуемых на унифицированном стандартном оборудовании, позволяет оптимизировать поиск метода исследований по набору критериев необходимых и достаточных для корректного выбора исходя из практических требований.

2. Формирование поля двухпроходных интерферометров в виде совокупности двух пространственно разделенных полей, полученных при однократном прохождении света через образец, устраняет принципиальную невозможность измерения показателя преломления в градиентных оптических материалах с помощью двухпроходных интерферометров;

3. Градиентная среда в виде оптического клина с градиентом показателя преломления, направленным параллельно поверхности образца и перпендикулярно ребру клина, отклоняет и фокусирует коллимированный световой пучок, проходящий через него, т. е. обладает оптической силой. Фокальная длина линзы, эквивалентной градиентному клину, является положительной величиной, если значения градиента показателя преломления и угла клина имеют одинаковый знак;

4. Характер изменения профиля интенсивности в сложной интерференционной картине, являющейся результатом двухлучевой интерференции в интерферометре с помещенной в него пластиной и многолучевой интерференции в пластине, который наблюдается при изменении разности хода в интерферометре, зависит от геометрической толщины пластины и позволяет выразить ее толщину через число полудпин волн монохроматического излучения.

5. Созданный комплекс новых методов исследования позволяет определять преломляющие и геометрические характеристики однородных, неоднородных и градиентных материалов в виде пластин и оптических клиньев с поверхностями, имеющими отклонения от плоскости, а также тонких пленок, без априорной информации об исследуемом образце;

6. Результаты экспериментальных исследований, включающие:

экспериментальную оценку и сравнение точностных характеристик методов исследования для всех типов материалов;

- выявленые основные источники погрешностей методов и разработанные методические указания по проведению экспериментов с минимальной погрешностью;

- демонстрацию возможности расширения области использования предложенных методов исследования показателя преломления на ИК-область спектра;

- исследование преломляющих свойств нового оптического материала фотополимера реоксан новыми методами в видимой и инфракрасной области спектра. Выявлено, что реоксан имеет

чрезвычайно слабую дисперсию в инфракрасной области спектра, что делает его перспективным материалом для оптической промышленности в этой области спектра.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и четырех приложений, имеет 317 страниц текста; 74 рисунка и 44 таблицы; список литературы из 110 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описан круг вопросов, связанных с

диссертационной темой, обоснована актуальность работы, сформулирована ее цель и задачи, описываются научные и практические результаты работы и приводятся положения, выносимые на защиту.

Первая глава содержит анализ существующих методов исследования преломляющих характеристик различных типов оптических материалов: однородных, неоднородных, градиентных материалов и тонких пленок. Для исследования оптических материалов (включая тонкие пленки) в рефрактометрии существует большое разнообразие методов, которые могут быть условно объединены в группы по физическим принципам, которые в них используются (геометрические, теневые, иммерсионные, интерференционные, поляризационные, фотометрические и фазово-контрастные).

Для исследования однородных материалов возможно использование методов из всех указанных выше групп, обеспечивающих реально достижимую точность измерений до (I -2)-10 5 при условии наличия необходимой априорной информации об образце и допустимости контакта с его поверхностями.

Для качественных и количественных исследований неоднородноетей показателя преломления Дп в основном используются только две группы методов: интерференционные и иммерсионные. Последние широко используются в отечественном производстве оптических стекол, однако, они ограничены номенклатурой иммерсионных.жидкостей, невозможностью измерения ряда оптических материалов (пористые стекла, полимеры и т.д.), кроме этого, применение иммерсионных методов в мировой практике ограничено высокими экологическими требованиями. К ограничениям интерференционных методов относятся высокие требования к предварительной обработке исследуемого объекта и необходимость

априорных данных о нем. Практически достигаемая точность измерения соответствует единицам пятого - шестого знака на стандартном оборудовании.

В области исследования градиентных материалов (Ун), к традиционным интерференционным и иммерсионным методам добавляется метод отклонения узкого лазерного пучка (геометрический), основными недостатками которого являются ограничения точности, связанные с конечным диаметром лазерного пучка, и высокие требования к геометрической форме образца.

Среди основных методов исследования тонких пленок выделяются интерференционные, элдипсометричесхие и фотометрические методы. Основными недостатками

вышеперечисленных. методов являются необходимость специальной аппаратуры, априорной информации об исследуемом объекте, сложность измерительных и вычислительных процедур. Толщины тонких пленок определяются современными оптическими методами при их толщинах порядка сотен микрон с точностью до 1 %, а при толщинах порядка десятков микрон - с точностью до 10%.

Таким образом, распространенные в настоящее время методы исследования преломляющих характеристик оптических материалов обладают теми или иными недостатками и имеют ограничения области их применения прежде всего по типу материала (виду распределения показателя преломления). Все методы, обладая тем или иным достоинством, в то же время либо не являются методами неразрушающего контроля, либо требуют наличия эталона с определенным показателем преломления, либо нуждаются в априорной информации об исследуемом объекте и т.д. Кроме этого не существует методов, позволяющих производить измерения различных характеристик (показателя преломления я, его распределений в образце, толщины I и величины клиновидности а исследуемых объектов) на одном и том же стандартном оборудовании и основанных на единых физических принципах.

Существующий в настоящее время в измерительной практике подход основан на выборе методологической и измерительной базы дня измерений различных характеристик в каждом конкретном случае. Однако, очень часто для конкретного типа материала и вида образца невозможно подобрать оптимальный метод, который позволяет проводить исследования конкретного образца с заданными геометрическими характеристиками, с требуемой точностью, на

стандартной существующей аппаратуре с максимально простой процедурой измерений и математических вычислений. В случае отсутствия метода, реализуемого на стандартном оборудовании, необходима разработка измерительной установки. Последнее, является очень нежелательным моментом, так как создание любой измерительной установки требует времени, средств, наличия соответствующих специалистов и т.д. Поэтому, на практике, чтобы избежать этого, по-возможности, приходится "соглашаться" на метод с худшими показателями, либо на механическую обработку (если это возможно) исследуемого образца для изменения его. геометрических параметров.

Таким образом, анализ существующих методов и выбор оптимального метода исследования являются очень важной и трудоемкой задачей. Предложенная классификация методов позволяет значительно упростить поиск оптимального метода исследований в каждом конкретном случае по следующим характеристикам: безэталонности, типу материала по виду распределения п, точности метода, возможности использования стандартной аппаратуры, форме исследуемого образца, возможности измерений без априорной информации о параметрах образца (эталона), возможности исследования образцов с низкими требованиями к плоскостности поверхностей без снижения точности метода, возможности исследования тонких пленок. В предложенной классификации методы исследования объединены в группы на основе физических явлений, используемых в них.

Анализ известных методов исследований преломляющих характеристик оптических материалов и их систематизация в рамках предложенной классификации показали отсутствие комплекса методов, основанных на единых физических принципах и обеспечивающего измерение всех перечисленных выше характеристик (и, Ал, V«, /, а), и необходимость создания такого комплекса, обеспечивающего: возможность проведения исследований без априорной информации, неразрушающнй контроль, экспрессность, использование стандартного оборудования, получение требуемых точностей измерений, исследования образцов с поверхностями, отступающими от плоскости, и новых материалов.

Общие требования к создаваемым методам определяют единые подходы к их созданию и позволяют рассматривать совокупность создаваемых методов как комплекс, основанный на единых физических

принципах. Кроме того, новые методы должны создаваться с учетом единых правил их использования при проведении исследований.

Физические принципы, лежащие в основе интерференционных явлений, выбраны в качестве физической базы для комплекса новых методов исследования, как обеспечивающие все требования, предъявляемые к создаваемому комплексу.

Таким образом, основной целью диссертационной работы является создание комплексной методологии интерференционных исследований и разрабатываемого на ее основе комплекса новых методов исследования преломляющих характеристик.

Комплексная методология должна включать в себя:

"- обоснование выбора физических принципов, как основы для создания новых методов;

- основные подходы, используемые для развития методологии интерференционных исследований;

- определение проблемной области для интерференционных исследований, включая определение и выбор: типов исследуемых материалов, перечня форм исследуемых образцов, точностных ограничений, измерительной базы;

- основные направления исследований при создании новых методов;

- выбор математического аппарата для исследований;

- общие требования к апробации новых методов и подходы к анализу экспериментальных данных. Выбор форм представления результатов экспериментов;

- программу расширения и развития комплекса новых методов при необходимости исследования вновь создаваемых материалов;

- основные правила и порядок использования комплекса новых методов при подготовке и проведении исследований;

- систематизацию создаваемых методов в рамках единого комплекса;

- комплекс новых методов.

На основе анализа, проведенного в первой главе сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе подробно рассмотрены особенности исследований однородных материалов интерференционными методами, показана физическая природа основного недостатка традиционных интерференционных методов - необходимости априорной информации об исследуемом объекте при определении показателя преломления.

Принципиальным моментом для расчета показателя преломления п интерференционными методами является определение порядков интерференции [2]. Однако, в монохроматическом свете возможно измерение лишь дробных долей порядков интерференции. В белом свете также не удается решить эту задачу, т. к. по разности хода вводимой компенсатором определяется не фазовый п, а групповой показатель преломления rag. Уравнение интерферограммы в белом свете имеет вид:

ДА) = 7(oo){i + F(^)cos[2TiAr(ot,) + . (1)

В уравнении (1) /(«) = /(je)cb: - средний уровень (постоянная составляющая) интерферограммы;

) = (С2 +S2 )т 11(00) - коэффициент видности;

С = j7(x)cos2"£'(cti jxcb:;

S - ¡I(x)sa\2rJc'( aa)xd.v;

^(Ag) = arctg (S(A,)!C(As)), где со - некоторое волновое число из интервала интегрирования. Производная к'(оо) = dA'/dа = Ag имеет смысл групповой разности хода Ag = До - (я§ - 1 )t, где Ло - разность хода, вносимая ахроматическим компенсатором. Величина щ - групповой показатель преломления,/^ -п + et(d/i/dcr). Уравнение (1) отличается от уравнения

интерферограммы в отсутствии дисперсии тем, что аргументом функции видности У и фазы ^является Де, а не А = До - («- 1)t.

Проведенный математический анализ показал, что с увеличением дисперсии материала наблюдается периодическое изменение характера наблюдаемой интерференционной картины с порядком интерференции не равным нулю в максимуме кривой видности, что подтверждает невозможность определения истинного порядка интерференции в момент компенсации. По спектроинтерфереиционной картине, т.е. по зависимости порядка интерференции от волнового числа, также определяется лишь групповой показатель преломления. Как и ранее, истинный порядок интерференции в этом случае не определяется, и может быть найдена только величина dA'/d сг и спектральная зависимость пг - Дсг). Для определения же фазового показателя преломления п необходимо найти абсолютный порядок интерференции, что возможно только, если известен показатель преломления хотя бы для одной длины волны, а также значение толщины образца. Таким образом, фазовый показатель преломления традиционными интерференционными

мстодами не можсг быть измерен без наличия априорных сведений об исследуемом объекте.

Для решения поставленной задачи, был использован принцип зависимости порядка интерференции не от спектральной, как г традиционных интерференционных методах, а от геометрической координаты. Этот принцип положен в основу разработанного интерференционного метода измерения показателя преломления п для образцов с неплосколараллельньши рабочими поверхностями (A.c. Ш213398). Получение и соответствующая обработка дзух интерференционных картин (в проходящем свете в интерферометре и в отраженном свете от поверхностей образца) позволяет проводить измерения клиновидных образцов и пластин с поверхностям',; отступающими от плоскости на стандартном оборудовании типа ZYGO или ККД-1 Ю по следующей формуле:

= Ш = С . (2)

{äK0idx) п

Ki и К а - порядки интерференции в преходящем и отраженном свете. Величина G является своего рода "масштабным" коэффициентом между двумя регистрируемыми интерференционными картинами.

Метод может быть реализован на стандартной аппаратуре типа Z-YGO или ИКД-ПО с погрешностью не превышающей 5-iO-3 для образцов с поверхностями, имеющими отступление от плоскости до 60л (=35 мкм), что позволяет существенно снизить требования к качеству изготовления образцов.

В основу высокоточного метода для клиновидных образцов (A.C. 1582091) положен принцип изменения геометрической длины пути монохроматического света в образце, что ранее в традиционных интерференционных методах было возможно лишь при исследовании жидкостей и газов (с точностями до единиц шестого-седьмого знака после запятой). Использование этого принципа в разработанном методе для твердых материалов сгало возможным за счет применения клиновидной формы образца и выполнения его перемещения особым образом.

Для оптических клиньев выведена функциональная зависимость между значением показателя преломления и углами выхода плоской волны при различных способах и числе ее прохождении и отражений в образце, которая позволяет исключить непосредственное измерение угла каина. На основе этого разработаны три метода исследования показателя преломления однородных материалов ( A.c. Кя1458779, A.c.

]\Го 1770848, Решение о выдаче A.c. Кг 94019878/25), которые отличаются простотой, экспргсскостыо и возможностью использования стандартной измерительной аппаратуры. Методы обеспечивают точность определения показателя преломления 2)-iQ-3.

Во всех предложенных методах решена задача по исследованию показателя преломления без априорных данных о геометрических параметрах образца, т.е. решена задача по исключению основного недостатка традиционных интерференционных методов, существенно сокращавшего область их возможного использования.

Возможность упрошенной процедуры измерения показателя преломления и однородных материалов на нескольких длинах волн показана на примере разработанных методик, позволяющих сократить число измерительных операций в два раза. С помощью рассмотренных методов возможно определение углов клиновидных образцов с точностью до сотых долей секунды.

Возможность использования предложенных методов в невидимом диапазоне спектра показана на примере результатов исследования преломляющих свойств нового оптического материала фотополимера реоксан, полученных новыми методами в видимой и инфракрасной области спектра. Исследумый оптический материал - реоксан поступал в виде дисков диаметром 30 мм и произвольной толщиной не более ! ,5 мм. Условием проведения измерений являлось отсутствие каких-либо контактов с поверхностями образцов, которые имели малую неизвестную клиновидность. После проведения исследований образцы использовались для записи топографических дифракционных решеток без последующей, обработки поверхностей. Учитывая то, что реоксан в отличие от стекол обладает значительно меньшей твердостью, использование любых контактных методов измерений было невозможно, из-за неизбежного повреждения поверхностей образцов. Исследование показателя преломления разработанными методами проведено на шести длинах волн монохроматического излучения в спектральном диапазоне {0,546 - 3.39J мкм. Получека температурная зависимость показателя преломления реоксанг. в рабочем интервале температур [10° - 50"] С.

Выявлено, что реоксан имеет чрезвычайно слабую дисперсию в инфракрасной области спектра (изменение показателя преломления п реоксана s спектральном интервале !. 15 - 3.39 мкм характеризуется единицами третьего знака после запятой), что позволяет сделать вывод

о перспективности его использования в оптической промышленности в ИК-диапазоие.

Проведена теоретическая и экспериментальная оценка точностных характеристик методов, выявлены основные источники погрешностей, определены оптимальные условия проведения эксперимента. На основе их анализа и результатов математического моделирования предложены методики проведения эксперимента, позволяющие минимизировать погрешности измерений каждого из предложенных методов.

Третья глава посвящена методам исследования преломляющих характеристик оптических материалов с неоднородноетями показателя преломления. В этом случае объект исследования характеризуется двумя параметрами:, значением базового показателя преломления и распределением показателя преломления в областях его локальных неоднородностей. Величина отличия значения показателя преломления в области его неоднородности от базового значения определяет возможность использования оптической заготовки в оптическом приборостроении. Во избежание необходимости пересчета довольно сложных оптических схем колебания показателя преломления стекол относительно величин, использованных при расчете, должны быть в пределах одной-двух единиц пятого знака после запятой [3].

Тестируемые на степень однородности оптические заготовки на практике обычно представляют собой пластины с малой клиновидностью и с поверхностями, имеющими отклонения от плоскостей. Возможность проведения измерений таких образцов без априорной информации об их клиновидности и степени плоскостности поверхностей является важной задачей, позволяющей исключить дополнительную технологическую обработку заготовок с целью доведения их поверхностей до строгой плоскопараллельности.

Проведенный анализ показал, что при получении определенного набора интерференционных картин от образца и от образца в интерферометре, возможно получение вариаций показателя преломления в клиновидных образцах без априорной информации о клиновидности оптической заготовки и плоскостности ее поверхностей. На основе этого разработаны три интерференционных метода для исследования неоднородных оптических материалов, которые могут быть реализованы на стандартном оборудовании и являются экспрессными, бесконтактными и простыми в реализации. Соответствующая обработка необходимой для каждого метода совокупности получаемого набора интерференционных картин

позволяет исключить погрешности, связанные с отклонением поверхностей исследуемых объектов от плоскости. Анализ зарегистрированных интерферограмм проводился с помощью разложения фазы волновых фронтов по системе ортогональных полиномов Цернике по двум декартовым координатам. Число полиномов выбиралось от восьми до тридцати двух. В результате математической обработки интерферограмм получено полиномиальное разложение (по выбранному числу полиномов Цернике) поперечного распределения показателя преломления по аппертуре образца. Максимальная величина неоднородности Ап, которая может быть измерена предложенными методами, ограничена разрешающей способностью применяемого прибора. Например, при Л - 632.8 нм, / = 10 мм и разрешающей способности прибора Ьл - 2 мм1 предельная измеряемая величина градиента показателя преломления в области неоднородности равняется 6-105мм-'. Приведена методика оценки необходимой точности задания или измерения величин базового показателя преломления и толщины образца в зависимости от требуемой точности измерения неоднородности показателя преломления.

Методы могут быть реализованы на стандартной измерительной аппаратуре типа ХХОО или ИКД-110 с двумерным представлением распределения показателя преломления по образцу с точностью до' 10 б.

Погрешности измерений представлены в виде распределения среднеквадратической погрешности значений показателя преломления по образцу и в виде коэффициентов разложения по полиномам Цернике. Расчетное и экспериментальное сравнение точностных характеристик методов показало, что наиболее точным является метод четырех интерферограмм с оборачиванием образца. Однако, он требует наиболее сложной процедуры измерений. При необходимости экспрессного анализа материала на однородность без высоких требований к точности измерения неоднородности показателя преломления Ал целесообразно применение упрощенного варианта метода четырех интерферограмм, в котором исключена операция получения интерференционной картины от интерферометра при отсутствии образца. Выявлено, что метод четырех интерферограмм без оборачивания образца менее других методов подвержен ограничениям по величине неоднородности в связи с использованием предложенной модифицикации оптической схемы интерферометра Физо в ИКД-110 (ХУСЮ), которая обеспечивает однократное прохождение света через

образец и позволяет компенсировать наклон волнового фронта за счет возможности регулировки утла между двумя задними зеркалами интерферометра, снимая тем самым ограничения по величине градиента показателя преломления.

Учитывая то, что методология исследования преломляющих характеристик однородных и неоднородных материалов разработана для единой измерительной базы и геометрических параметров образца, появляется возможность проведения комплексных исследований объекта, включающих в себя измерение базового показателя преломления методом для однородных образцов, а также качественные и количественные исследования неоднородностей материала при их обнаружении на том же измерительном комплексе и в том же образце.

Четвертая глава посвящена анализу особенностей исследования градиентных (GRIN) материалов, выявлению характера трансформации светового поля градиентной средой в зависимости от формы ограничивающих ее поверхностей и разработке методов исследования преломляющих характеристик градиентных материалов.

Плоско-параллельный образец с постоянным градиентом показателя преломления Vn эквивалентен однородному клину, в зависимости от величины градиента показателя преломления Vn в большей или меньшей степени вызывающий наклон волнового фронта [4]. Градиентная среда вызывает поперечный сдвиг лучей, влияние которого на качество измерений уменьшается с уменьшением толщины пластины однако, при этом возрастает влияние качества изготовления плоских поверхностей пластины. Таким образом, для любого градиента показателя преломления Vn может быть подобрана соответствующая ему оптимальная толщина образца 1, ведущая к минимальной ошибке измерений показателя преломления п, которая рсчитывается по формуле:

" 0.Ш"

Анализ воздействия клиновидного образца с градиентом Vn, направленным параллельно поверхности образца и перпендикулярно ребру клина, на плоскую волну позволил получить следующее уравнение (для упрощенной модели постоянного градиента показателя преломления):

Лкг,(х)л= |«(0)-i]a+Vn-f(0)^ + V,'!-a-jc2 (4)

t =

(3)

Первый член выражения (4) характеризует наклон волнового фронта, второй член - изгиб волнового фронта. Таким образом, клиновидный образец не только отклоняет коллимированный световой пучок, но и фокусирует его, т. е. обладает оптической силой.

Фокальная длина линзы, эквивалентной клиновидному образцу с углом а при его вершине, находится из соотношения:

Фокальная длина линзы является положительной величиной, если значения градиента показателя преломления Vп и угла а имеют одинаковый знак, т.е. образец является фокусирующей линзой, если образец толще на краю с большим показателем преломления. В противном случае образец является р а с ф оку с иру ю I це й линзой. Образец "не работает" как линза лишь в случае ¥« = 0 гаи а = 0. Получены расчетные формулы для распределения толщины исследуемого градиентного образца по его апертуре и ширинь: полосы интерференционной картины, полученной от клиновидного образца с градиентом показателя преломления V« в интерферометре.

При исследовании градиентных материалов одной из проблем является невозможность использования стандартных схем двухпроходных интерферометров из-за поперечного сдвига лучей в образце. Однако, необходимость обработки сложной интерференционной картины от градиентного образца требует использования стандартного оборудования с фотоэлектрической системой регистрации интерференционных картин, типа 2УОО или ИКД-110, которые построены на базе двухпроходных интерферометров.

В связи с этим, предложен новый подход к исследованию градиентных материалов, основанный на специальной организации поля в интерферометре, приводящий к представлению интерференционного поля как совокупности двух пространственно разделенных полей, каждое из которых получено при однократном прохождении света через исследуемый объект в противоположных направлениях. Предложенный подход позволяет трансформировать любые схемные решения, связанные с двукратным прохождением света через образец, в однопроходные интерференционные схемы и устраняет принципиальную невозможность исследования распределения показателя преломления в градиентных материалах с помощью двухпроходных интерферометров. Получение и регистрация

интерференционной картины, состоящей из двух картин, полученных при прохождении света через образец в противоположных направлениях, открывает возможность одновременного проведения измерений и контроля качества котировочных операций. Подобная техника измерений является новой возможностью для интерференционных методов исследований. Предложенный подход к исследованию градиентных материалов положен в основу разработанной модифицикаиии оптической схемы интерферометра Физо в ИКД-110 (ZYGO), которая позволяет компенсировать наклон волнового фронта за счет возможности регулировки угла между двумя задними зеркалами интерферометра, снимая тем самым ограничения на максимальную измеримую величину градиента показателя преломления. Результаты анализа особенностей исследования градиентных (GRIN) материалов легли в основу двух интерференционных методов измерения градиента показателя преломления V« для пластин (Патент № 2083969) и клиньев.

Распределение показателя преломления п в плоско-параллельных градиентных образцах находится по интерферограмме, получаемой в проходящем свете на стандарных приборах ZYGO или ИКД-110. Анализ интерферограммы с помощью разложения фазы волнового фронта по системе ортогональных полиномов Цернике позволяет получать поперечное распределение показателя преломления по образцу. Для клиновидных образцов с плоскими поверхностями и поверхностями, имеющими отступления от плоскости необходимо получение 4-х интерферограмм: от первой поверхности образца (Мь), от образца в интерферометре в проходящем свете (¿Ska), от задней поверхности образца (Д£с) и от пустого интерферометра (Aki). Эти четыре интерференционные картины содержат полную информацию о толщине и распределении показателя преломления. Толщина образца в точке (X,У) находится из соотношения:

t{XJ)~ п{Х',У')-п(Х,У) ' W

где Лкг,d (Х\ У) - разность порядков интерференционных полос между точками (X', Y') и (X,Y);

= - вариации толщины образца.

-

Распределение показателя преломления описывается следующим выражением:

Нх .л = 0

■ КХ\У)-А:(х,у) '

Точности методов 2-10'5 и 5- Ю 3 соответственно. Необходимая информация о показателе преломления в одной или двух точках (для первого или второго метода) может быть получена разработанным методом для однородных материалов на том же измерительном комплексе и образце.

Подробный анализ погрешностей методов позволил выявить их основные источники, к которым относятся для обоих методов: поперечный сдвиг лучей, непараллельность первой поверхности образца направлению градиента показателя преломления V«, неточность установки образца и угла между задними зеркалами интерферометра. Для плоско-параллельных пластин добавляются погрешности, связанные с качеством поверхностей образца и точностью измерения его толщины, а для клина погрешность поперечного сдвига вне образца в так называемом воздушном клине, дополняющем его до пластинки. Для всех перечисленных источников погрешностей выведены формулы расчета их влияния на результат измерений и даны практические рекомендации по методике проведения эксперимента с учетом величины градиента показателя преломления, позволяющей минимизировать погрешности каждого метода исследований. Проведено несколько серий экспериментов, в которых получена экспериментальная оценка точностных характеристик методов и их сравнение.

Пятая глава посвящена особенностям и методам исследования показателя преломления и толщины плоско-параллельных пластин и тонких пленок. Входящие в комплекс новые методы исследования тонких пленок также относятся к группе интерференционных.

На основе принципов двухлучевой и многолучевой интерференции разработана теория интерференции "смешанного типа", которая наблюдается в двухлучевом интерферометре с помещенной в него плоско-параллельной пластиной. В этом случае наблюдаемая сложная интерференционная картина является результатом двухлучевой интерференции в интерферометре и многолучевой интерференции в пластине. Выравнивание интенсивностей двух интерференционных картин необходимое для наблюдения интерференции "смешанного

типа' достигается изменением раоочей апертуры зеркал интерферометра.

Амплитуда такого суммарного поля находится из соотношения:

Л = +4?, (8)

где £ - Доля открытого участка зеркала интерферометра, ТР\ -амплитудный коэффициент пропускания пластинки.

При многолучевой интерференции в пластинке величина амплитуды отраженной волны равна

(9)

Амплитуда поля после интерферометра дается формулой:

. (10)

где - — л?соз#'±;г , 5а = + - разности фаз в

А л

пластине и в интерферометре. Предполагается, что коэффициент

отражения г зеркал интерферометра равен 1.

Результирующий профиль интенсивности в получаемой

интерференционной картине, который позволяет рассчитать угловую

зависимость интенсивности в ней и проанализировать изменения в

наблюдаемой интерференционной картине при различных сдвигах

зеркала интерферометра расчитывается по формуле

т = А№Ю > (11)

где * - знак комплексного сопряжения.

С помощью построенной математической модели представления полей, формирующих интерференционную картину "смешанного' типа", проведен анализ возможности измерения по ней толщин плоскопараллельных пластин и тонких пленок.

Для пластины толщиной 1 полученное выражение для углового радиуса в? р-н от центра светлой полосы

- (12) и аналогичное выражение для той же пластины в интерферометре

4---, (13)

(I

где еР1 и виц - дробные порядки интерференции в центре картин, Ах -величина сдвига зеркала в воздушной ветви интерферометра Майкельсона, позволили выявить возможность непосредственного измерения геометрической толщины пластины. Заметим, что ет

отличается от сг; из выражения (12) на 1/2. При сдвиге зеркала интерферометра в его воздушной ветви на Дх = выражение (12) совпадает с выражением (13) и на практике будет получена однородная засветка всего наблюдаемого поля интерференции.

Однако, проведенные экспериментальные исследования показали, что при движении зеркала интерферометра в воздушной ветви достигается равномерная засветка в центре интерференционной картины и при выполнении условия

= . (14)

где g - целое.

Расчеты результирующего профиля интенсивности наблюдаемой интерференционной картины, проведенные в рамках построенной математической модели, показывают, что возможность однозначного определения положения зеркала интерферометра при (однородной засветке по всему полю), определяется возможностью наблюдения разницы в профилях интенсивности одновременно получаемых двух интерференционных картин (двухлучевой - в интерферометре и многолучевой интерференции в пластине), которая приводит к неоднородной засветке вдали от центра картины при Поэтому важным критерием смещения зеркала интерферометра в воздушной ветви на величину равную толщине пленки является однородная засветка не только п центре, но и на периферии наблюдаемого поля.

Основанный на этом метод измерения толщины пластин и тонких пленок без наличия априорной информации о них позволяет проводить измерения с точностью до сотых долей Я. Проведенный подробный теоретический и экспериментальный анализ метода позволил установить границы его применимости в зависимости от толщин исследуемых объектов. При малых толщинах пластин ширина наблюдаемых интерференционных полос значительна, и при / < 20 мкм становится невозможным точно определить положение зеркала интерферометра при £ = 0. При толщинах образца около 10 мм возникает трудность регистрации интерференционных полос на периферии регистрируемой интерференционной картины из-за их малой ширины, что также снижает точность определения положения зеркала интерферометра при ^ = 0. В случае ошибки определения % на ± 1 погрешность измерения толщины образца равняется Л/2.

Возможность наблюдения смещения полос равной толщины от клиновидной подоожки с нанесенной на ее часть пленкой положена в

основу метода измерения показателя преломления и толщины тонких пленок, нанесенных на подложку без априорных данных об исследуемых пленке и подложке. В этом методе производится регистрация двух интерференционных картин: от образца, представляющего собой клиновидную подложку с нанесенной на ее часть пленкой, и от этого же образца в интерферометре, при двух длинах волн. Измерение сдвига полос, вызванного наличием пленки на части подложки, меняющего свое значение с изменением длины волны позволяет расчитать толщину пленки по формуле:

* _ { I <1

. А-А< 1 ' И }

где За и За - разности величин смещения полос при интерференции от образца и от образца в интерферометре для двух длин волн Л' и Я. В зависимости от толщины пленки и дисперсии ее материала разработана подробная методика расчета показателя преломления п, позволяющая исключить измерение целой части разности порядков интерференции. Проведенная оценка точностных характеристик метода и серия экспернменов на стандартном оборудовании позволяют

говорить о точности измерений не хуже 5 нм для толщины и единицы второго знака после запятой для показателя преломления.

В заключении на основе сводок результатов по главам сформулированы общие результаты работы в целом, указаны возможные области их приложения и возможные направления дальнейшего развития.

Основные результаты работы:

!. Предложена классификация существующих методов измерения преломляющих характеристик оптических материалов на современной стадии развития измерительной базы и технологий изготовления оптических материалов. Обоснована необходимость создания комплекса абсолютных бесконтактных и экспрессных методов, основанных на единых физических принципах и реализуемых на унифицированном стандартном оборудовании, который образует с известными методами замкнутую классификацию.

Все разработанные методы исследования оптических материалов объединены в методологический комплекс и систематизированы в рамках предложенной классификации.

2. Сформулированы основные физические принципы, положенные в основу новых методов исследования, определен класс исследуемых материалов, номенклатура стандартного оборудования.

3. Показана возможность получения значений показателя преломления и его вариаций в клиновидных образцах без априорной информации о геометрических параметрах образца при получении определенного набора интерференционных картин от образца и от образца в интерферометре. Показано, что соответствующая обработка совокупности полученного набора интерференционных картин позволяет исключить погрешности, связанные с отклонением поверхностей исследуемых объектов от плоскости, и описана соответствующая экспериментальная процедура.

На основе этого разработаны следующие интерференционные методы: метод измерения показателя преломления в образцах с неплоскопараллельными рабочими поверхностями (A.c. №1213398); три метода исследования неоднородносгей оптических материалов, отличающихся набором регистрируемых интерферограмм и интерференционный метод измерения распределения показателя преломления в неплоско-параллельных градиентных образцах. Показано, что эти методы являются экспрессными, бесконтактными и простыми в реализации. Продемонстрировано, что методы позволяют получать двумерное распределение показателя преломления по образцу и могут быть реализованы на стандартном оборудовании.

4. Выявлена возможность исследования величины показателя преломления твердых однородных материалов путем изменения геометрической длины пути монохроматического света в образце. На основе этого разработан новый высокоточный безэталонный интерференционный метод определения показателя преломления клиновидных образцов. Особенностью метода является возможность исследования клиновидных образцов без априорной информации о геометрических параметрах образца. Новизна метода подтверждена авторским свидетельством A.C. № 1582091.

5. Выведена функциональная зависимость между значением показателя преломления клиновидного образца и углами выхода плоской волны при различных способах и числе ее прохождений и отражений в образце, не требующая непосредственного измерения угла клина. Продемонстрирована возможность получения показателя преломления без зприорных данных о геометрических параметрах образца. На этой основе разработаны три метода исследования показателя преломления однородных материалов, которые отличаются простотой, экспрессностью и возможностью использования стандартной измерительной аппаратуры. Новизна методов

подтверждена авторскими свидетельствами ( A.c. №1458779, A.c. № 1770848, Решение о выдаче A.c. № 94019878/25).

6. Показана возможность упрощенной процедуры измерения показателя преломления однородных материалов на нескольких длинах волн. Разработаны методики позволяющие сократить число измерительных операций в методах исследования показателя преломления однородных материалов в два раза.

Продемонстрирована возможность определения углов клиновидных образцов.

7. Предложен новый подход к исследованию градиентных оптических материалов, основанный на специальной организации поля в интерферометре, приводящий к представлению интерференционного поля как совокупности двух пространственно разделенных полей, каждое из которых получено при однократном прохождением света через объект исследования. Продемонстрировано, что такой подход позволяет трансформировать любые интерференционные схемные решения, связанные с двукратным прохождением света через объект исследования в однопроходные интерференционные схемы. Показано, что это г подход устраняет принципиальную невозможность измерения показателя преломления в градиентных оптических материалах с помощью двухпроходных интерферометров.

8. На основе этого подхода разработаны:

- два интерференционных метода исследования градиентов показателя преломления для плоскопараллельных пластин (Патент № 2083969) и дня клиньев;

- модифицикация оптической схемы интерферометра Физо в стандартной измерительной установке с заменой заднего зеркала интерферометра двумя зеркалами, установленными под углом друг к другу с возможностью регулировки угла между ними, что обеспечивает однократное прохождение света через образец и позволяет компенсировать наклон волнового фронта, вызванный большим градиентом показателя преломления. Предложенная модификация позволила расширить номенклатуру материалов, исследуемых этой установкой, включив в нее градиентные материалы с вариациями показателя преломления произвольной величины;

- новая техника проведения эксперимента - получение и обработка интерференционной картины с одновременным контролем по ней качества тостировочных операций. Подобная техника проведения измерений является новой возможностью для интерференционных методов исследований.

- 29- способ преобразования любых интерференционных схемных решений, связанных с двукратным прохождением сгета через образец б однопроходные схемы.

9. Выявлен характер трансформации светового поля градиентной средой в форме пластин и оптических клиньев. Установлено, что, в отличие от плоско-параллельных градиентных пластин, отклоняющих плоскую волну, клиновидный образец с градиентом показателя преломления, направленным параллельно поверхности образца и перпендикулярно ребру клина, обладает оптической силой. Получены расчетные формулы для фокусного расстояния эквивалентной линзы и -распределения толщины исследуемого градиентного образца.

10. Определена функциональная зависимость погрешности измерения показателя преломления в градиентных плоскопараллельных объектах от класса параметров и исследована степень влияния этих параметров на погрешность измерений. Обосновано предъявление жестких требований к геометрическим параметрам образцов при исследовании плоско-параллельных пластин. Установлена зависимость .между оптимальными значениями толщины измеряемого плоско-параллельного образца и величины градиента показателя преломления.

11. Доказано, что выравнивание порядков интерференции в интерференционных картинах, полученных одновременно от плоскопараллельного образца и от образца в интерферометре, позволяет выразить геометрическую толщину образца через число полудлин волн монохроматического излучения. па основе этого принципа разработан новый метод измерения толщины исследуемого плоскопараллельного образца без наличия априорных данных о нем. Предложен практический способ регистрации момента выравнивания порядков интерференции. Построена модель полей, формирующих интерференционную картину полос равного наклона, и на ее основе установлены границы применимости метода по толщинам исследуемых объектов.

12. Показано, что при получении двух интерференционных картин равной толщины от образца, представляющего собой клиновидную подложку с нанесенной на ее часть тонкой пленкой, и от образца, помещенного в интерферометр, при двух длинах волн монохроматического излучения, достигается возможность получения показателя преломления и толщины тонкой пленки без априорных данных об исследуемых пленке и подложке. На основе этого разработан новый метод исследования тонких пленок. Метод позволяет

измерять толщину пленки с точностью до 5 нм и не требует измерений целой части порядка интерференции. Рассмотренный метод относится к методам неразрушающего контроля и может быть реализован на стандартной аппаратуре.

13. Проведена серия экспериментальных исследований, в которых:

- проведены экспериментальная оценка и сравнение точностных характеристик методов исследования для всех типов материалов;

- выявлены основные источники погрешностей методов и разработанные методические указания по проведению экспериментов с минимальной погрешностью;

продемонстрирована возможность расширения области использования предложенных методов исследования показателя преломления на ИК-область спектра;

- исследованы преломляющие свойства нового оптического материала фотополимера реоксан новыми методами в видимой и инфракрасной области спектра. Выявлено, что реоксан имеет чрезвычайно слабую дисперсию в инфракрасной области спектра (изменение показателя преломления реоксана в спектральном интервале 1.15 - 3.39 мкм характеризуется единицами третьего знака после запятой), что делает его перспективным материалом " для оптической промышленности в этой области спектра.

¡4. Показана возможность реализации предложенных методы исследования преломляющих характеристик оптических материалов на стандартном оборудовании промышленного производства. Показано, что стандартный измерительный комплекс типа 7?ЮО или ИКД-110 с предложенной модификацией оптической схемы интерферометра Физо является унифицированной стандартной измерительной базой, которая позволяет проводить исследование преломляющих характеристик различных типов материалов предложенными методами.

В приложении 1 приведены результаты измерений показателя преломления п и угаов клиньев а , полученные методами для однородных образцов.

В приложении 2 приведены результаты расчетных похрешностей Дп от угла клина а и угла падения света £ на образец Аи = Д £,а).

В приложении 3 приведены распределения седнеквадратических отклонений распределений и, представленные в виде коэффициентов разложения по полиномам цернике, в методах измерений вариаций показателя преломления.

В приложении 4 представлены документы о внедрении в промышленности разработок, осуществленных в ходе выполнения настоящей работы.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Кацнельсон Л.Б. Методы контроля оптической толщины интерференционных пленок, наносимых в вакууме. - Оптико-механическая Промышленность, 1969, №4, С. 50-58

2. Нагибина И.М. Интерференция и дифракция света. - JL: Машиностроение, 1985.

3. Петровский Г.Т. Оптические материалы. Возможности оптического материаловедения в современности и перспективе. -Оптико-механическая Промышленность, 1988, №12, С. 61-65.

4; Marchand E.W. Gradient Index Optics. - New York, Academic Press, 1978.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ

1. Герасимова Л А. (Смирнова), Москалев В А. Авторское свидетельство СССР No. 1213398 Интерференционный способ определения показателя преломления. - Б.И., 1986, No. 7.

2. Москалев В.А,, Герасимова Л.А. (Смирнова). Интерференционные методы измерения показателя преломления. - ОМП, 1987, No. 8, сс. 6-8.

3. Желтобрюх М.Б., Герасимова ЛА. (Смирнова), Москалев В.А.. Авторское свидетельство СССР No. 1458779 Автоколлимационный способ определения показателя преломления клиновидных образцов. -Б .И., 1989, No. 6.

4. Герасимова ЛА.(Смирнова), Москалев В.А. О новых методах измерения показателя преломления. - В кн.: Тезисы докл. Научно-технической Конференци молодых ученых и специалистов, Минск, 1989, стр. 11-12.

5. Герасимова ЛА.(Смирнова), Москалев В.А., Черняков В.Н. Авторское свидетельство СССР .Na 1582091 Интерференционный способ определения показателя преломления. - Б.И., 1990, No. 28.

6. Герасимова Л А., Молочников Б.PI. Новые способы измерения показателя преломления. - Тезисы докл. VIII Всесоюзной научно-технической конференции, Москва, 1990, с. 244

7. Москалев ВА., Герасимова Л.А.(Смирнова) Авторское свидетельство № 1474456 СССР. Интерференционный способ определения толщины плоскопараллельных объектов из оптически прозрачных материалов. - Б .И., 1989, № 15.

8. Герасимова JT. А. Решение о выдаче авторского свидетельства от 14.01. 91. Способ определения показателя преломления клиновидных образцов. - Заявка No. 4768631/25.

9. Герасимова Л.А., Польщиков Г.В. Оптимизация оптической схемы интерферометра в сочетании со спектральным прибором. - ОМП, 1991, №2, стр. 40-43.

10. Москалев ВА., Герасимова Л А. Авторское свидетельство № 1693371 СССР. Интерференционный способ определения толщины прозрачных плоскопараллельных объектов. - Б.И., 1991, №'43.

11. Герасимова Л А. Новые методы измерения показателя преломления. - В кн.: Тезисы докл. конф. "Education in optics", St-Petersburg, 1991, SPIE Vol. 1603, p. 584.

12. Герасимова Л. А. Авторское свидетельство СССР No. 1770848 Способ определения показателя преломления клиновидных образцов. -Б. И., 1992, No. 39.

13. Герасимова Л А. Автоколлимационный способ определения показателя преломления образцов клиновидной формы. Приборостроение, 1992, №2, стр.52-56.

14. Герасимова ЛА. Патент № 2083969 Интерференционный способ измерения показателя преломления в образцах с градиентом показателя преломления. -Бюл. № 19, 1997.

15. Gerasimova LA. New method for measuring the distribution of refractive index in blanks for GRIN optical elements. - Gradient Index Optica! Systems, Vol. 12, 1994, OSA Technical Digest Series, p. 80.

16. Герасимова Л А. Новый интерференционный метод для измерения показателя преломления в заготовках для градиентной оптики. - В кн.: Тезисы докл. Международной Конференции "Gradient-Index Optics in Science and Engineering", Польша, 1995 г., pp. 33-34.

17. LA.Gerasimova. Dmitri MaksutoVs Scientific Legasy. - Sky & Telescope, 1995, №. 12 , pp. 77-78.

18. Герасимова Л.А., Федоров A.B. Новый интерференционный метод для измерения показателя преломления в заготовках для градиентной оптики. - Technical Digest 15-th International Conference on Coherent and Nonlinear Optics, Санкт-Петербург, 1995, vol.11, pp. 189-190.

19. Герасимова Л А. Новый интерференционный метод для метрологии тонких пленок. - in Int. Conf. on Science, Engineering, and

Instrumentation "Interferometry VII: Applications", Proceedings SPIE, 1995, Vol.2545, pp.352-359. "

20. LA.Gerasimova. New Interf'erometric Method for Refractive Index Control in Blanks for GRIN Optics. - Proceedings SPIE. 1995, Vol. 2943, pp.199.

21. Герасимова Л А. Оптические параметры фотополимера реоксан, полученные новыми методами оптического контроля, - Applied Optics,

1995, v. 34, №25, pp. 5571-5576.

22. Gerasimova LA. Interference measurement of refractive index in blanks for gradient-index optics. - Opt. Eng., 1996, Vol. 35, Ж 12, pp. 3562-3567.

23. Герасимова ЛА. Интерференционный контроль показателя преломления прозрачных тонких пленок. - Оптический Журнал, 1997, №11, стр.!04-106.

24. Герасимова Л.А. Метод четырех интерферограмм для измерения неоднородностей показателя преломления,- Оптический Журнал, 1997, № 11, стр. 107-109.

25. LA.Gerasimova. Interferometric measurement of the refractive-index gradient distribution in gradient-index optica! blanks - Applied Optics,

1996, Vol. 35, № 16, pp. 2997-3001.

26. Герасимова Л.А. Измерение толщин прозрачных пластин и тонких пленок методом полос равного наклона. - Оптический Журнал, (в печати).

27. Герасимова Л.А. Метрология оптически прозрачных тонких пленок. - Оптический Журнал (в печати).