На данной странице приведены сведения, касающиеся практических вопросов, возникающих при изготовлении кристаллических пластин ИПФ. Здесь показано, с какими трудностями приходится практически сталкиваться и какими приёмами их можно преодолеть.

     При расчёте основных параметров ИПФ исходят из предположения об идеально точных значениях величины показателя двойного лучепреломления кристаллов, толщины кристаллических пластин, ориентировки оптической оси в кристаллических пластин и поляризаторов. Однако на практике в процессе изготовления неизбежны отклонения. Определение предельно допустимых отклонений существенно для разработки методики изготовления ИПФ.

     Вопросы качества поверхностей кристаллических пластин специально рассматривать не будем, так как для пластин из кристаллического кварца, фтористого магния, лейкосвпфира требования не выходят за обычные и определяются оптической системой, в которой должен использоваться ИПФ. Если оптические детали склеиваются или собираются на иммерсионном контакте, требования к качеству поверхностей становятся менее жёсткими. Для пластин из исландского шпата, KDP, ADP и натровой селитры качество оптических поверхностей обуславливается высокими требованиями в отношении сохранения постоянства толщин. Правда, для сохранения равнотолщинности возможна иногда компенсация ошибок одной поверхности за счёт другой. Кроме того, здесь также действительно замечание о склейке и иммерсионном контакте.

     Для определения допустимых ошибок в толщине кристаллических пластин необходимо выбрать критерий, характеризующий качество ИПФ. Такого рода критерием может служить относительное изменение пропускания в главном максимуме Р. В случае идеально изготовленного ИПФ величина Р равна нулю. Увеличение Р означает не только уменьшение пропускания в главном максимуме, но и вредное увеличение побочных максимумов пропускания.

     Фильтр Лио с узкой полосой пропускания состоит из n ступеней с кварцевыми пластинами и m ступеней с пластинами из исландского шпата. Вследствие того, что шпат имеет показатель двойного лучепреломления в 19 раз больше, чем у кварца (для длины волны 656,28 нм), при одном и том же изменении разности фаз допустимая ошибка в толщине для шпата будет в 19 раз меньшей, чем у кварца. С другой стороны, вследствие мягкости шпата точная подгонка его по толщине представляет значительные трудности. Поэтому целесообразно сделать допустимую ошибку для кварцевых пластин меньшей с тем, чтобы за счёт этого предельно допустимую ошибку для шпатовых пластин увеличить.

     Рассмотрение светофильтра с десятью ступенями, обладающего очень узкой полосой пропускания, показывает, что кристаллические пластины должны изготавливаться с весьма высокой точностью. Это возможно только при наличии достаточно хорошей методики их испытания в процессе изготовления. По мере уменьшения числа ступеней требования к точности изготовления пластин несколько понижаются.

     Изготовить кристаллическую пластину большой толщины так, чтобы разность хода, обусловленная двойным лучепреломлением, составляла заданное число длин волн, представляет значительные трудности. В этом случае требуется знание показателя двойного лучепреломления с очень высокой точностью. Например, чтобы изготовить пластину из исландского шпата с волновой разностью хода 5120, нужно было бы определить показатель двойного лучепреломления с точностью до нескольких едениц шестого знака. В действительности точность в отношении соблюдения заданного числа длин волн для разности хода в кристаллической пластине зависит от номера ступени и уменьшается с увеличением толщины пластины.

     При одинаковых N для исландского шпата требуется определение показателя двойного лучепреломления со значительно меньшей точностью, чем для кварца.

     Опыт подсказывает, что при изготовлении фильтра для одной длины волны в видимой области спектра можно пользоваться табличными данными для показателя двойного лучепреломления кварца и исландского шпата.

     Дальше будет показано, что разработанные методы контроля позволяют определить дробную часть волновой разности хода и достигать разности хода, равной ближайшему числу длин волн с высокой степенью точности, не давая, однако, возможности непосредственно определить N. Поэтому, чтобы не ошибиться на целую длину волны, следует предварительно делать при механических измерениях пластину несколько толще. Оптические измерения дробной части волновой разности хода для одной пластины в соединении с точными измерениями толщины позволяют затем уточнить показатель двойного лучепреломления и приблизиться к истинному его значению для данного кристалла с точностью до нескольких едениц шестого знака. Благодаря этому, те пластины, которые делаются из одного куска кристалла после первой, могут доводиться с очень малыми припусками.

     Ориентировка оптической оси кристалла относительно поверхностей пластины должна производиться с довольно высокой точностью. Здесь нужно выбрать основной критерий, на основании которого должны устанавливаться предельно допустимые ошибки. В качестве такого критерия было выбрано условие симметричности углового поля ИП ступени относительно нормали. Допуская некоторое отступление от симметричности, можно получить величины допустимых ошибок ориентировки оптической оси. Для определения предельно допустимой ошибки в ориентировке оптической оси кристалла достаточно рассмотреть изменение разности хода интерферирующих лучей, лежащих в плоскости главного сечения, так как влияние ошибки в этой плоскости будет наиболее сильным.

     Сопоставляя изменения волновой разности хода из-за ошибки в ориентировке с допустимыми изменениями волновой разности хода, установленными при рассмотрении ошибок в толщине  0,01, а также при определении углового поля монохроматизации 0,1. примем за допустимую величину ошибки  ориентировки кристалла 3 угловых минуты для исландского шпата и 10 угловых минут для кристаллического кварца.

     В качестве допуска на точность ориентировки поляризующих элементов фильтра может быть взят практически осуществимый угол в 20-30 угловых минут. Опыт изготовления ИПФ полтвердил, что этот допуск действительно обеспечивает хорошее качество фильтра.

     Допуск на ошибку ориентации фазовых пластин ( четвертьволновых и полуволновых) принят равным 30 угловых минут, а допуск на ошибку разности фаз 3,5 градуса.

 Методы контроля кристаллических пластин ИПФ

     Допустимые отклонения от расчёта показывают, что ориентация оптической оси в кристаллических пластинах может быть обеспечена способами, обычными в производстве кристаллических деталей.

     Взаимная ориентация кристаллических пластин и поляризаторов обеспечивается устройством оправы и приёмами сборки. Значительные трудности вызывает точное изготовление пластин заданной толщины. Допустимые отклонения тощин кристаллов от их расчётных значений очень малы. Зная показатель двойного лучепреломления кристалла и температурные коэффициенты, можно было бы контролировать пластины посредством измерения их толщины с помощью оптиметра. Если такой способ в некоторой степени пригоден для кварцевых пластин, то для шпатовых он практически не годится, так как, во – первых, пластины делаются из различных кристаллов, и колебания показателя двойного лучепреломления могут дать значительную ошибку. Определение же показателя двойного лучепреломления для каждого отдельного кристалла с требуемой точностью (до нескольких едениц шестого знака) усложняет процесс изготовления. Во – вторых, измерения пластины из исландского шпата должны производиться с точностью до десятой доли микрона, что представляет собой большие трудности.

     Ввиду изложенного разработана методика контроля пластин в процессе изготовления, опирающаяся на оптическое действие их, сходное с действием в интерференционно – поляризационном фильтре. Такой контроль по существу является уже испытанием ступени фильтра в условиях, близких к рабочим. Кроме того, способ доводки кристаллических пластин по толщине, опирающийся на измерение разности хода, даёт возможность в процессе полировки поверхностей в некоторых случаях корректировать оптические неоднородности используемого кристалла.

1. Спектроинтерференционные методы контроля

skanirovanie0010.jpg

 Схема установки для проведения контроля кристаллических пластин ИПФ методом наблюдения спектроинтерференционной картины

          При выборе параметров спектрографа  принимаются во внимание параметры ИПФ, в первую очередь, ширина полосы пропускания и спектральный интервал между максимумами соседних полос пропускания. Для изготовления ИПФ с шириной полосы пропускания  0,05 нм нужен спектрограф, обладающий обратной линейной дисперсией около 0,1 нм/мм. Участок спектра на фотопластине должен быть при этом около 100 нм. Такой спектрограф трудно сделать. Выходом из положения может быть использование двух спектрографов, из которых один обладает обратной линейной дисперсией 0,1…0,2 нм/мм, а другой 0,5…1 нм/мм. Такое сочетание спектрографов позволяет контролировать пластины, создающие малую и большую волновую разность хода.

     На выходе спектрографа наблюдается спектр светового потока, подвергщегося воздействию ИП ступени. Теперь он состоит из ряда интерференционных светлых полос, разделённых тёмными промежутками. Такую картину иногда называют поперечно канализированным спектром. Ширина полос, определяемая расстоянием между соседними минимумами, уменьшается по мере продвижения в коротковолновую область. Если толщина контролируемой пластины точно соответствует расчёту и температура её приведена к расчётному значению, то некоторый максимум (приблизительно середина светлой интерференционной полосы) совпадает с соответствующей линией спектра сравнения, положенной в основу расчёта. Для достаточно точного измерения смещения максимума относительно линии спектра сравнения необходимо, чтобы предельное разрешаемое спектральное расстояние спектрографа было бы в 10…20 раз меньше спектральной ширины интерференционных полос в наблюдаемой области спектра. Пластина, создающая малую волновую разность хода, образует широкие интерференционные полосы. С изменением длины волны может заметно изменяться дисперсия, интенсивность источника света, пропускание спектрографа, поляризаторов и т.д. Вследствие этого, спектральное положение максимальной яркости в наблюдаемой интерференционной полосе может сильно отличаться от спектрального положения расчётного максимума, соответствующего разности хода, равной целому числу длин волн при параллельных поляризаторах ступени или полуцелому – при скрещенных поляризаторах. Таким образом, определение спектрального положения максимумов в общем случае представляет собой весьма сложную задачу. Иногда положение несколько облегчается возможностью обращения максимумов в минимумы посредством поворота одного из поляризаторов ступени на угол 90 град. В таком случае при фотографической регистрации бывают, полезны большие передержки, позволяющие более чётко выявлять минимумы.

    Существует метод контроля, основанный на наблюдении спектроинтерференционных полос, который существенно уменьшает указанные выше трудности и способствует повышению точности. В этом методе используется опорная пластина и признаки согласования ИП ступеней. При выборе опорной пластины следует учитывать ряд обстоятельств. Во-первых, спектральная ширина интерференционных полос должна быть достаточно малой, чтобы в пределах полосы не нужно было учитывать спектральное изменение потерь на отражение и поглощение. Во-вторых, полосы должны быть достаточно удобными для определения положения максимумов. При этом приходиться учитывать параметры используемого спектрографа. Опорная пластина доводится до нужных размеров с большой тщательностью. Максимум совмещается с заданной длиной волны при соответствующей температуре. Следующая по порядку кристаллическая пластина контролируется на основе наблюдения интерференционной картины, образованной совместным действием двух ступеней, из которых одна содержит контролируемую пластину, а другая – опорную. При совместном действии двух последовательных ступеней в спектрографе наблюдается ряд главных максимумов, между которыми расположены по два вторичных максимума, более слабых и симметричных в случае хорошего согласования в процессе прецизионной доводки кристаллических пластин.

skanirovanie0011.jpg

Спектральное распределение пропускания: а – i-й ступени фильтра;

б – (i+1)-й ступени фильтра; в – при совместном действии двух

последовательных ступеней, хорошо согласованных в процессе

прецизионной доводки кристаллических пластин

     В общем случае при наличии ошибок изготовления, яркости левого и правого вторичных максимумов и ширина их различны. Этот признак является очень чувствительным и хорошо выявляет отступления от правила l(i+1)=2l(i). Он также годится для согласования смежных ступеней двух последовательных каскадов (кварцевого и шпатового).

     Однако, для контроля тонких кристаллических пластин, создающих малую волновую разность хода (N<40), признак симметричности вторичных максимумов не годится. В этом случае максимумы становятся широкими, и вторичные максимумы уже заметно отличаются по спектральному составу и интенсивности. В данном случае удобнее согласовывать между собой не соседние ступени, а, наоборот, далеко отстоящие друг от друга. При этом оказывается подходящим признак совпадения соответствующих минимумов одной ступени с определёнными максимумами другой ступени. Поясним применение этого признака на конкретном примере. Допустим, что в десятиступенчатом ИПФ пластина К5, принадлежащая пятой ступени (П5К5П6), точно доведена до требуемой величины волновой разности хода и служит опорной. Пусть волновая разность хода для лямбда 0, создаваемая пластиной К5, равна 160. Пластина К1, принадлежащая первой ступени (П1К1П2), должна быть доведена так, чтобы она создавала волновую разность хода, равную 10. Между соседними главными максимумами лямбда 0 и лямбда 1 ступени П1К1П2 расмположен один минимум лямбда m.

 skanirovanie0013.jpg

Спектральное распределение пропускания: а – 1-й ступени фильтра;

б – 5-й ступени фильтра; в – при совместном действии 1-й и 5-й

ступеней фильтра, хорошо согласованных в процессе прецизионной

доводки кристаллических пластин

     В том же спектральном интервале ступень П5К5П6 образует 15 максимумов, не считая совпадающих с лямбда 0 и лямбда 1. Если пластина К1 не имела бы отступлений от расчётной толщины, то минимум лямбда m совпадал бы с максимумом номер восемь, считая от лямбда 0, образованным ступенью П5К5П6. При совместном действии обеих ступеней слева и справа от лямбда 0 наблюдается ряд вторичных максимумов, яркость которых возрастает по мере удаления от лямбда m и приближения к лямбда 0 или лямбда 1. Если пластина К5 имеет ошибку в толщине, то лямбда m сместится относительно максимума номер восемь. В этом случае легко определить, с каким другим максимумом произошло совпадение или между какими максимумам и расположена лямбда m. Дробную часть смещения можно оценить в долях полоысы ступени П5К5П6 с точностью не менее одной четверти. Этому соответствует 1/84 ширины полосы, которую образовывает ступень П1К1П2. Таким образом, этот признак согласования обеспечивает высокую точность контроля, позволяя выявлять ошибки до 0,01 волновой разности хода N.

     Описанных выше признаков согласования (симметричность вторичных максимумов и совпадение максимумов с минимумами) обычно достаточно, чтобы применить метод контроля, основанный на наблюдении спектроинтерференционной картины, на всей стопе ИПФ. Например, в случае десятиступенчатого ИПФ по первому признаку можно согласовать шестую ступень с пятой, седьмую – с шестой и т.д. до девятой ступени с десятой. Затем по второму признаку можно согласовать первую ступень с пятой, вторую – с шестой и так до четвёртой ступени с восьмой.

     Изготовление пластинок начинается с того, что кристалл, предварительно ориентированный (вырезанный) относительно оптической оси, режется параллельно базовому основанию. После отрезки первой пластины поверхность отреза оставшейся заготовки точно обрабатывается (шлифуется) так, чтобы она была параллельна базовому основанию. Затем отрезается следующая пластина и т.д. При таком порядке работы не теряется ориентировка плоских поверхностей относительно оптической оси кристалла. Пластины обрабатываются с припуском по толщине, составляющим 3h (h – толщина, вызывающая изменение волновой разности хода (ВРХ) на еденицу). В таком виде пластины подготовлены к окончательной прецизионной доводке. Последняя состоит в том, что рабочий-оптик шлифовкой и полировкой уменьшает толщину, придавая при этом повехностям форму, наиболее подходящую для получения ВРХ, равномерной по световому отверстию. Контроль на поляризационной установке методом наблюдения интерференционной картины в монохроматическом свете позволяет компенсировать плавные неоднородности кристаллического материала за счёт формы поверхностей. Температурный фактор на заключительной стадии обработки должен приниматься во внимание особенно тщательно. При некоторых операциях достаточно пластинам дать «отстояться». Под этим подразумевается, что пластина выдерживается в условиях, когда внешняя температура изменяется медленно, пластина успевает принимать квазистационарное температурное состояние. Температурные градиенты в пластине должны стать настолько малыми, чтобы они вызывали деформации геометрической формы меньше, чем величина допустимых ошибок. Устойчивость интерференционной картины, по которой контролируется поверхность, является признаком того, что пластина пришла в требуемое температурное состояние. Однако, для контроля величины ВРХ такой «отстой» недостаточен. Теперь уже требуется термостатировать пластины с точностью около десятой доли градуса. Контроль пластин даёт возможность сделать необходимые указания рабочему.