Анализ погрешности измерений показателя преломления инфракрасных материалов методом наименьшего отклонения

Рассмотрены проблемы метрологического обеспечения средств измерений показателя преломления твёрдых оптических материалов (кремния, германия и т. п.), применяемых в инфракрасном диапазоне спектра (инфракрасных материалов). Показатель преломления оптических материалов в инфракрасном диапазоне длин волн необходимо знать с высокой точностью при разработке оптики для тепловизоров, приборов ночного видения и т. п. В настоящее время актуальны задачи разработки отечественных средств измерений показателя преломления в инфракрасной области спектра и анализ погрешностей данных измерений. Представлена схема разработанного инфракрасного рефрактометра на базе гониометра. С помощью данного рефрактометра реализован метод наименьшего отклонения для измерений показателя преломления инфракрасных материалов в автоматическом режиме. Проанализирована погрешность измерений показателя преломления инфракрасных материалов методом наименьшего отклонения с помощью разработанного инфракрасного рефрактометра на базе гониометра с учётом влияния погрешностей измерений угла призмы, угла отклонения луча, длины волны излучения и температуры. Рассмотрено влияние дифракции на погрешность измерений углов отклонения излучения инфракрасного диапазона. Оценена суммарная погрешность измерений показателя преломления соответственно германия и кремния в диапазонах 3–5 и 8–12 мкм, которая составила 4,1·10^–5 и 2,5·10^–5. Полученные результаты важны для выработки требований к составным частям Государственного первичного эталона единицы показателя преломления ГЭТ 138-2021 при его совершенствовании с целью расширения диапазона длин волн на средний и дальний инфракрасный диапазоны.

1. Бахшиева Г. Ф., Левин Б. М. Прибор ИФ-24 для измерения показателей преломления и дисперсии оптических материалов. Оптико-механическая промышленность, (2), 28–30 (1971).

2. Забудский И. П., Молочников Б. И., Бахшиева Г. Ф., Миронова Л. Н., Ольховский М. В. Инфракрасный гониометрический рефрактометр ГСИ. Оптико-механическая промышленность, (10), 31–34 (1978).

3. Burnett J. H., Benck E. C., Kaplan S. G., Stover E., Phenis A. Index of refraction of germanium. Applied Optics, 59(13), 3985–3991 (2020). https://doi.org/10.1364/AO.382408 ; https://www.elibrary.ru/gtynwg

4. Leviton D. B., Frey B. J., Kvamme T. High accuracy, absolute, cryogenic refractive index measurements of infrared lens materials for JWST NIRCam using CHARMS. Proc. SPIE. Cryogenic Optical Systems and Instruments XI, 5904, 59040O (2008). https://doi.org/10.1117/12.619306

5. Edwin R. A recording refractometer for the measurement of refractive indices of solids in the wavelength range 8–14 μm. Journal of Physics E: Scientifi c Instruments, 6(10), 1035 (1973). https://doi.org/10.1088/0022-3735/6/10/025

6. Edwin R. P., Dudermel M. T., Lamare M. Refractive index measurements of ten germanium samples. Applied Optics, 21(5), 878–881 (1982). https://doi.org/10.1364/AO.21.000878

7. Meyzonnette J.-L., Mangin J., Cathelinaud M. Refractive Index of Optical Materials. In Springer Handbook of Glass, Springer Handbooks (SHB). Springer, Cham., рр. 997–1045 (2019). https://doi.org/10.1007/978-3-319-93728-1_29 ; https://www.elibrary.ru/udcizk

8. Icenogle H. W., Platt B. C., Wolfe W. L. Refractive indexes and temperature coeffi cients of germanium and silicon. Applied Optics, 15(10), 2348–2351 (1976). https://doi.org/10.1364/AO.15.002348

9. Nunley T. N., Fernando N. S., Samarasingha N., Moya J. M., Nelson C. M., Medina A. A., Zollner S. Optical constants of germanium and thermally grown germanium dioxide from 0.5 to 6.6 eV via a multi-sample ellipsometry investigation. Journal of Vacuum Science and Technology B, 34(6), 061205 (2016). https://doi.org/10.1116/1.4963075

10. Wang X., Shi C., Zheng Q., Thompson D. Resonant enhancement of the thermorefl ectance response of silicon nanodisks. Applied Physics Letters, 127(6), 061103 (2025). https://doi.org/10.1063/5.0276240 ; https://www.elibrary.ru/icktrt

11. Вишняков Г. Н., Левин Г. Г., Корнышева С. В. Государственный первичный эталон единицы показателя преломления. Измерительная техника, (11), 3–6 (2004). https://www.elibrary.ru/pegzld

12. Вишняков Г. Н., Левин Г. Г., Корнышева С. В., Зюзев Г. Н., Людомирский М. Б., Павлов П. А., Филатов Ю. В. Измерение показателя преломления на гониометре в динамическом режиме. Оптический журнал, 72(12), 53–58 (2005). https://www.elibrary.ru/hsorrv

13. Вишняков Г. Н., Минаев В. Л., Бочкарева С. С. Государственный первичный эталон единицы показателя преломления ГЭТ 138-2021. Измерительная техника, (5), 4–9 (2022). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2022-5-4-9 ; https://www.elibrary.ru/zclnyk

14. Kuiper M., Koops R., Nieuwland R., Van der Pol E. Method to traceably determine the refractive index by measuring the angle of minimum deviation. Metrologia, 59(5), 055006 (2022). https://doi.org/10.1088/1681-7575/ac8991 ; https://www.elibrary.ru/tzwnlm

15. Yurin A., Vishnyakov G., Minaev V., Golopolosov A. The modifi ed minimum deviation method for measuring the refractive index. Optik, 292, 171400 (2023). https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2023.171400 ; https://www.elibrary.ru/ssooat

16. Birch K. P., Downs M. J. An updated Edlen equation for the refractive index of air. Metrologia, 30(3), 155–162 (1993). https://doi.org/10.1088/0026-1394/30/3/004

17. Polyanskiy M. N. Refractiveindex.info database of optical constants. Scientifi c Data, 11, 94 (2024). https://doi.org/10.1038/s41597-023-02898-2

18. Малышев В. И. Введение в экспериментальную спектроскопию. Наука, Москва (1979).

19. Гудмен Дж. Введение в Фурье-оптику. Мир, Москва (1970).

20. Tian Q., Huhns M. N. Algorithms for subpixel registration. Computer Vision, Graphics and Image Processing, 35(2), 220–233 (1986). https://doi.org/10.1016/0734-189X(86)90028-9

21. Левин Г. Г., Илюшин Я. А., Минаев В. Л., Моисеев Н. Н. Определение наноперемещений объекта по оптическому фазовому изображению. Измерительная техника, (7), 38–42 (2010). https://www.elibrary.ru/mvqnxj