СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ВЕЩЕСТВА Российский патент 1994 года по МПК G01N21/21 

Изобретение относится к диагностике распределения плотности вещества в некоторой среде, например молекул красителя в полимерных матрицах, широко используемых в квантовой электронике.

Известен способ определения распределения плотности газа путем облучения исследуемой среды бигармоническим электромагнитным излучением, возбуждающая компонента которого имеет циркулярную поляризацию, а зондирующая - линейную, причем обе компоненты направляют в среду под углом друг к другу, осуществляют их пространственное перекрытие и измеряют интенсивность зондирующего излучения за скрещенным анализатором, сохраняя при пространственном сканировании угол ϕ между пучками возбуждающего и зондирующего излучения. Однако с одной стороны, этот способ приемлем не для всех углов, а лишь для ϕ≠π/2 , что будет доказано далее. С другой стороны, этот способ приемлем только для атомарных газовых сред, уровни квантовых переходов которых выражены по магнитному квантовому числу. Для исследования веществ, у которых это вырождение отсутствует, например для большинства сложных молекул в растворах, излучение циркулярной поляризации не индуцирует анизотропии в среде в направлении распространения ( ϕ ≈ 0) (т.е. малые углы) и, следовательно, зондирующий пучок распространения без изменения поляризации.

Цель изобретения - расширение класса исследуемых сред при одновременном повышении точности.

Цель достигается тем, что возбуждающий пучок поляризуют линейно, под углом к нему формируют пучок поляризованного зондирующего излучения, осуществляют пространственное перекрытие возбуждающего и зондирующего пучков в выбранной точке среды, измеряют сигнал за скрещенным анализатором, обусловленный изменением поляризации зондирующего пучка, причем при переходе от одной точки к другой сохраняют ϕ =const. Состояние поляризации зондирующего пучка формируют произвольным, однако при линейной поляризации зонда устанавливают ϕ=π/2 , а угол между плоскостями поляризациями зондирующего и возбуждающего излучений θ=π/4 .

На чертеже показана схема реализации способа.

Источник 1 направляет через фазовую пластинку 2 "зонд" 3 на исследуемую среду 4. Источник 5 через поляризатор 6 направляет "накачку" 7 на среду 4. С помощью анализатора 8, "скрещенного" с исходной поляризацией "зонда", регистрируется изменение его поляризации на приемнике 9. Источник 5 выполнен с возможностью передвижения для изменения положения области пространственного перекрытия возбуждающего и зондирующего пучков при ϕ =const.

Работоспособность и эффективность способа поясняются расчетом. В качестве исходного для описания нелинейного взаимодействия излучения с веществом выбирают кубическое по полю и дипольное по взаимодействию приближение. Даже, в случае произвольных направлений распространения возбуждающей и зондирующей волн, эволюция последней будет определяться не самим вектором поляризованности, а его ортогональной компонентой в фазовой плоскости зондирующего пучка, так что соответствующее уравнение переноса амплитуды в среде с концентрацией исследуемое вещества N примет вид
= 2ΠiK(ω₁:ω₁, -ω₀, ω₀) (1) где =E, ω_m, =k, и - вектор амплитуды, частота, волновой вектор, векторы поляризации и волновой нормали m-й волны соответственно (m=0 (возбуждающая), 1 (пробная));
ζ- расстояние вдоль направления распространения "зонда",
=(ω₁:ω₁, -ω₀, ω₀)= x1

, (2)
где x1 - тензор, дуальный вектору ,
Тензор выражают через тензор светоиндуцированной анизотропии .

= = χ₁₁₂₂(+C*0

+ C*0 ⊕ ); (3)
C₁=χ₁₂₂₁/χ₁₁₂₂; C₂=χ₁₂₁₂/χ₁₁₂₂, χ_ijkl~ N ,
так что с учетом (2)
=χ₁₁₂₂(-+C ⊕ ^* + C^* ⊕ ),
= - .

Решение задачи Коши ((0)=) для (1) в линейном по интенсивности возбуждающей волны приближении может быть представлено в виде
(ζ)=(+A(ζ)) , (4)
A(ζ)=2ΠiK₁χ₁₁₂₂ ∫ζ0

(x)dx .

Из (4) видно, что если =E не является собственным вектором S₁, то поляризация зондирующей волны изменится, а интенсивность сигнала за скрещенным анализатором ΔI будет определять следующим образом
ΔI=, (5) где U - произвольный нормированный комплексный вектор в фазовой плоскости зондирующего пучка, являющийся символом идеального поляризационного прибора. Причем = 0 (условие "скрещенности").

С учетом (4) выражение(5) может быть преобразовано к виду
ΔI=A(ζ)C₁(*0

)()+C₂()(*0) (6)
При задании поляризации возбуждающей волны линейной [*0]=0 , S₁ принимает вид одноосного тензора, поляризация собственных векторов которого определяется векторами и [ ], т.е. также является линейной. Таким образом при эллиптической и круговой поляризации "зонда" интенсивность за скрещенным анализатором будет отлична от 0.

Пусть "зонд" поляризован также линейно, тогда для упрощения экспериментальной схемы задается
ϕ =arccos()=Π/2, =cosθ
В этом случае (6) преобразуется к виду
ΔI=1/nA(ζ)(C₁+C₂)sin²2θ (7), откуда следует/ что ΔI=max при |Q|=π/4.

Пусть имеет место произвольная поляризация возбуждающей волны и ϕ=π/2 . В этом случае тензор S₁ остается одноосным, а в силу того, что направление при этом определяется [], то собственные векторы поляризованы вдоль [] и . Тогда, при линейной поляризации "зонда", совпадающей с одной из этих поляризаций ΔI=0. Таким образом, содержащееся в прототипе утверждение о линейной поляризации "зонда" без конкретизации ϕ и азимуты линейной поляризации является необоснованно обобщенным.

В заключение следует отметить, что повышение точности (увеличение сигнала) в предложенном способе достигается за счет оптимизации геометрии направлений пучков и их поляризацией. Система же регистрации на основе двухлучевого запоминающего осциллографа может быть позаимствована из прототипа.

Использование: в квантовой электронике, в частности в диагностике сред с примесными веществами. Сущность изобретения: способ определения распределения плотности вещества основан на измерении анизотропии, индуцированной в веществе линейно-поляризованным светом. Анизотропия обнаруживается по изменению поляризации пробной волны, распространяющейся под углом к волне накачки. Поляризация пробной волны выбирается отличной от поляризации собственных волн среды с наведенной анизотропией. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ВЕЩЕСТВА, включающий пропускание через среду возбуждающего и зондирующего пучков поляризованного электромагнитного излучения с частотами, резонансными частоте квантового перехода исследуемого вещества, осуществление пространственного перекрытия этих пучков под постоянным углом ϕ между ними, измерение интенсивности зондирующего излучения после прохождения анализатора, скрещенного с поляризующим зондирующее излучение устройством, отличающийся тем, что, с целью расширения класса исследуемых веществ при одновременном превышении точности, возбуждающее излучение линейно поляризуют. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что зондирующему излучению придают эллиптическую или круговую поляризацию. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что зондирующему излучению придают линейную поляризацию, направляют под углом phi/2 к возбуждающему излучению, а плоскость поляризации ориентируют под углом phi/4 к плоскости поляризации возбуждающего излучения.