Введение к работе
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 спет 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 для оптических элементов,
работающих в видимой и инфракрасной областях спектра
(полиметилметакрилат, полистирол, поликарбонат,
полидиаллилтерефталат 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 і 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 для комплекса новых методов исследования, свободных от недостатков традиционных методов и пригодных 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 токхопленочные 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 методологаи 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;
- б -
- разработка методов измерения геометрических параметров
исследуемых образцов, включающих углы оптических клиньев,
толщины пластин и тонких пленок, а также распределение толщины для
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, градиентных 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 ZYGO или ИКД-110.
Продемонстрирована возможность использования предложенных
методов для исследований в ИК-обпасти 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 экспрессностью, 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 02-
84034: "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".
-
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 градиентных оптических компонентов.
-
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".
-
Результаты диссертационной работы использованы в научно-исследовательской работе, выполненной автором во время двухлетней
стажировки в University of Tucson и Light Path Company (шгат 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-технологическом 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 Optical 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;
-
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;
-
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 полудлин волн монохроматического излучения.
-
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 обпасти 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.
