Устройство для калибровки дихрографов кругового дихроизма Российский патент 2023 года по МПК G01N21/19 G01M11/02 

Изобретение относится к оптическим устройствам, имитирующим вещество, обладающее круговым дихроизмом (КД), служащее для калибровки дихрографов кругового дихроизма.

Круговой дихроизм - один из эффектов оптической анизотропии, проявляющийся в различии коэффициентов поглощения света, поляризованного по правому и левому кругу. Спектры КД, как правило, содержат узкие, хорошо разрешимые полосы, индивидуальные для каждого вещества, поэтому измерения КД используются достаточно широко в различных областях науки, особенно химии, медицине, биофизике и физике. Метод КД является высокочувствительным методом исследования различных веществ и важным аспектом измерения является точность калибровки сигнала, поскольку величина эффекта обычно не превосходит нескольких долей процента от значения коэффициента поглощения в неполяризованном свете. Установление точной однозначной зависимости между показаниями приборов и абсолютными величинами эффектов, востребованная необходимость экспериментаторов, измеряющих КД.

Использование для калибровки дихрографов КД эталонных оптически активных веществ, величины КД, которых известны столкнулось с рядом затруднений. Во-первых, определенное вещество характеризуется ограниченным количеством пиков КД, поэтому необходимо иметь набор эталонных веществ с характерными особенностями на разных длинах волн. Во-вторых, нестабильность величины КД растворов химических веществ, обусловленная длительным хранением и влиянием различных внешних факторов (температуры, давления, влажности и т.д.).

В заявке [РФ №2013123106, МПК G01N21/00, опубл. 27.11.2014] в качестве эталонного вещества предлагается использовать полимерный гель с частицами двухцепочечных молекул нуклеиновых кислот, который при облучении циркулярно-поляризованным излучением на дискретной длине волны в УФ диапазоне спектра имеет определенную величину КД, но сохраняет эту характеристику только в течение нескольких месяцев после его изготовления. В работе [Гусев, В.М. Наноконструкции ДНК для тестирования и калибровки спектрометров кругового дихроизма / В.М. Гусев, О.Н. Компанец, М.А. Павлов, Д.П. Чулков, Ю.М. Евдокимов, С.Г. Скуридин // Наукоемкие технологии. – 2013. – №4. – С. 68-75.] рассмотрена возможность использования в качестве эталона для калибровки дихрографов КД в широком диапазоне длин волн полимерный материал на основе наноконструкций ДНК, включенных в состав полиэтиленоксидных гидрогелей, но предложенный материал сохраняет свои характеристики только в течении года.

Первое конструктивное устройство (не вещество) для калибровки в широком диапазоне длин волн с возможностью регулирования величины и знака эффекта было предложено в работе [Костюк, Г.К. Устройство для калибровки дихрогрофа в широкой области спектра / Г.К. Костюк, Е.К. Галанов, М.В. Лейкин // Оптико-механическая промышленность. – 1976. – № 5. – С.28–31.]. Устройство представляет собой комбинацию четвертьволновой пластинки и линейного поляризатора. Недостатком, устройства является почти 100% линейная поляризация пучка на выходе, так как при задании малых величин КД свет становится эллиптически поляризованным с большим отношением осей, что вносит искажения в результаты измерений, поскольку в общей схеме спектрометров по измерению КД находятся элементы, чувствительные к линейной поляризации (линзы, призмы, приемник и т.д.). Это ограничивает возможности широкого практического использования данного устройства.

С тех пор было предложено ряд других устройств, имитирующих вещество, обладающее круговым дихроизмом, с возможностью регулирования величины задаваемого эффекта в широком диапазоне значений на выбранной длине волны. Предложенные устройства отличаются наличием, относительным расположением и возможностями вращения оптических элементов с целью минимизации недостатков первоначальной конструкции.

Известно устройство для калибровки дихрографов [патент РФ №2590344, МПК G01N21/19, G01M11/02, опубл.10.07.2016], имитирующее вещество, обладающее круговым дихроизмом. Данное устройство содержит изотропную прозрачную пластину диэлектрика и фазовую пластину, толщиной d = ((2m+1)λ/4)/(n_о- n_e), где n_о, n_e – показатели преломления обыкновенной и необыкновенной волны, m – порядок пластины, λ – длина волны. Изотропная прозрачная пластина диэлектрика имеет возможность поворота относительно оси перпендикулярной направлению распространения света и составляющей угол 45° с главными направлениями фазовой пластины. К недостаткам данного устройства можно отнести, квадратичную зависимость полученного сигнала КД от угла поворота изотропной пластины, и некоторое смещение хода луча от оптической оси вследствие законов преломления, обусловленное прохождением света через наклонную пластину диэлектрика.

Известно устройство [патент РФ №2629660, МПК G01N21/01, G01N21/19, опубл. 30.08.2017], содержащее фазовую пластину, обеспечивающую разность хода между обыкновенным и необыкновенным лучами, кратную λ/4, и изотропную прозрачную пластину диэлектрика с фиксированным углом наклона относительно направления распространения света и возможностью вращения относительно этого направления. Частичная линейная поляризация света, полученная прохождением света через изотропную пластину диэлектрика, преобразуется в частичную круговую поляризацию, при прохождении фазовой пластины, что тождественно прохождению света через оптически активное вещество с КД. При этом зависимость величины КД от угла вращения изотропной пластины диэлектрика в рабочей области значений имеет линейный характер, но остается смещение луча от оптической оси, и остается частичная линейная поляризация луча. При, вращении пластины, центр светового луча описывает окружность вокруг оптической оси, радиусом, равным отклонению, вследствие закона преломления, что крайне нежелательно в любой оптической схеме, особенно если размеры поперечного сечения луча сопоставимы с размерами рабочих элементов других устройств, располагающихся на оптической оси, например, щелью монохроматора.

В одном из вариантов устройств, предложенных в заявке [WO2016/057464 A1, G01N21/19, G01N21/21, опубл. 14.04.2016], содержатся две изотропные пластины, расположенные под одинаковыми, но с разным знаком углов к оптической оси, и фазовая пластина, но фазовая пластина расположена на пути светового луча до изотропных пластин, и поэтому преобразует циркулярно поляризованный свет в линейно поляризованный, и в перечисленном многообразии вариантов работы такого устройства, не предусмотрено согласованного вращения указанных изотропных пластин, а присутствует возможность лишь изменения угла их наклона, относительно оптической оси и вращение фазовой пластины. Работа такого устройства в качестве калибратора возможна только в определенного типа дихрографах, где все основные элементы дихрогрофа (монохроматор, и т.д.) располагаются до образца. Данное устройство по своему принципу работы близко к уже упомянутому устройству, описанному в [Костюк, Г.К. Устройство для калибровки дихрогрофа в широкой области спектра / Г. К. Костюк, Е. К. Галанов, М. В. Лейкин // Оптико-механическая промышленность. – 1976. – № 5. – С.28–31.], с общим существенным недостатком – почти 100 % линейной поляризацией светового луча на выходе из устройства.

Известно устройство для калибровки дихрографов кругового дихроизма, принятое за прототип [патент РФ №2682605, МПК G01N21/01, G01N21/19, опубл. 19.03.2019], содержащее линейный поляризатор и фазовую пластину, обеспечивающую разность хода между обыкновенным и необыкновенным лучами (2m+1)λ/4, и в качестве линейного поляризатора предложено сочетание двух изотропных прозрачных пластин диэлектрика равных толщин с фиксированными углами α и –α наклона относительно оптической оси с возможностью их согласованного вращения относительно этой оси. Это устройство убрало смещение светового луча, его юстировка происходит строго по оптической оси в процессе калибровки, и зависимость величины КД в рабочей области значений имеет линейный характер, но остается частичная линейная поляризация луча на выходе из устройства.

Отметим, что в перечисленных выше устройствах (патенты РФ №2590344, №2629660, №2682605), минимизирована величина дихроизма, т.е. она сопоставима с величиной КД реальных веществ, и отсутствует 100% линейная поляризации светового луча после прохождения всех элементов устройств. Получаемый на выходе сигнал представляет собой практически неполяризованный свет, лишь малая доля которого имеет круговую поляризацию, что почти аналогично прохождению света через реальное дихроичное вещество.

Техническим результатом изобретения является создание устройства для калибровки дихрографов кругового дихроизма, являющееся аналогом дихроичного вещества, в котором отсутствует частичная линейная поляризация света, вносимая элементами устройства.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для калибровки дихрографов кругового дихроизма, содержащем частично линейный поляризатор, состоящий из пары прозрачных в оптическом диапазоне изотропных пластин диэлектрика равных толщин с фиксированными углами наклона φ и φ+90° относительно оптической оси, и фазовую пластину, обеспечивающую разность хода между обыкновенным и необыкновенным лучами (2m+1)⋅λ/4, новым является то, что устройство дополнительно содержит второй частично линейный поляризатор, расположенный между первым частично линейным поляризатором и фазовой пластиной, и состоящий из пары прозрачных в оптическом диапазоне изотропных пластин диэлектрика равных толщин с фиксированными углами наклона φ и φ+90° относительно оптической оси, при этом первый на пути луча частично линейный поляризатор имеет возможность вращения относительно оптической оси, второй частично линейный поляризатор неподвижен, и быстрая ось фазовой пластины ориентирована под углом 45° к плоскости частичной линейной поляризации светового луча изотропных пластин второго частично линейного поляризатора.

Отличия заявляемого устройства от прототипа заключаются в том, что устройство содержит два частично линейных поляризатора, первый на пути луча частично линейный поляризатор имеет возможность вращения относительно оптической оси, второй неподвижен, и быстрая ось фазовой пластины ориентирована под углом 45° к плоскости частичной линейной поляризации светового луча второй пары изотропных пластин. Перечисленные выше признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».

При изучении других известных технических решений в данной области техники, признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не выявлены и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».

На фиг. 1 приведена схема устройства для калибровки, содержащая: 1 и 2 – частично линейный поляризатор, каждый из которых состоит из пары изотропных пластин диэлектрика, 3 – фазовая пластина. Расположение поляризаторов соответствует максимальной линейной поляризации луча на выходе и, соответственно, максимальной величине задаваемого КД. На фиг. 2 приведена схема устройства, расположение элементов в котором на выходе из устройства создают одинаковую поляризацию, как и в схеме на фиг. 1. На фиг. 3 приведены пространственное расположение элементов устройства, представленных на фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 4 приведена схема устройства для калибровки в котором расположение элементов соответствует нулевому дихроизму. На фиг. 5 приведено пространственное расположение элементов устройства, представленного на фиг. 4. На фиг. 6 представлена зависимость коэффициентов отражения s- и p-волн от угла падения для кварцевого стекла для λ=550 нм.

Устройство (фиг. 1) содержит два частично линейных поляризатора (1) и (2), каждый из которых состоит из пары изотропных прозрачных пластин диэлектрика равных толщин с фиксированными углами наклона относительно оптической оси φ и φ+90° и фазовую пластину (3), обеспечивающую сдвиг фазы (2m +1)λ/4, где m - любое целое число либо ноль. Оптические оси (быстрая и медленная) фазовой пластины лежат в плоскости фазовой пластины, перпендикулярно к направлению распространения света, и под углом 45° к плоскости пропускания второго частичного поляризатора. Первый частичный линейный поляризатор на пути следования светового луча имеет возможность вращения относительно оси распространения света. Расположение элементов на фиг. 1 и фиг. 2 полностью идентичны для прохождения световой волны и обеспечивают на выходе из устройства максимальную поляризацию. Расположение элементов, представленное на фиг. 3 показывает другой крайний случай, где частичная линейная поляризация второй пары компенсирует частичную поляризацию, образованную после прохождения первой пары пластин. Регулируемая величина раскомпенсации (вращение первого на пути светового луча частичного поляризатора) задаст частичную линейную поляризацию, которая после прохождения фазовой пластины, переведет ее в круговую и создаст дихроизм.

Таким образом, прохождение света через предлагаемое устройство тождественно прохождению света через оптически активное вещество с КД, при этом в предлагаемой схеме будет сохранена юстировка луча строго по оптической оси, и световой луч не будет дополнительно линейно поляризован, то есть сохранит исходное состояние поляризации.

Устройство работает следующим образом:

Естественный (неполяризованный) свет можно представить как сумму двух линейно поляризованных волн равной интенсивности, в которых колебания происходят, соответственно, параллельно (р-поляризация) и перпендикулярно плоскости падения (s-поляризация) света. Плоскость падения - это плоскость, содержащая пучок и нормаль к поверхности. При нормальном падении монохроматического света на диэлектрик свет остается неполяризованным. При наклонном падении света на изотропную прозрачную пластину диэлектрика, в отраженном луче уменьшается интенсивность р-волны, а в проходящем s-волны, что приводит к частичной линейной поляризации проходящей и отраженной волн.

Степень линейной поляризации ΔK проходящего луча зависит от угла падения света на изотропную пластину и ее показателя преломления, и определяется с помощью формул Френеля [Лансберг, Г.С. Оптика / Г.С. Лансберг. – Москва: Из-во Наука, 1976. – 928 с.]

где - коэффициент отражения s-волны; - коэффициент отражения р-волны; α - угол падения световой волны, в нашем случае это угол (90° – φ); n - показатель преломления; ΔK - степень поляризации проходящего луча. При угле падения Брюстера, так называемом угле полной поляризации: коэффициент будет равен нулю и, соответственно, степень поляризации преломленного и отраженного лучей будет максимальна (фиг. 6). Это условие выполняется, когда угол падения и угол преломления в сумме составляют π/2.

При прохождении светом первой наклонной изотропной прозрачной пластины диэлектрика произойдет смещение луча относительно оптической оси, вследствие закона Снеллиуса, рассчитать которое можно используя формулы (1) и (2).

Далее, попадая на вторую пластину одинаковой толщины с первой, располагающуюся к оптической оси под углом (φ+90°), опять же вследствие закона Снеллиуса, луч света испытает преломление, и произойдет точно такое же смещение луча в обратную сторону, в результате чего луч света вернется на оптическую ось. Таким образом, использование в качестве поляризатора пары изотропных прозрачных пластин диэлектрика равных толщин с равными фиксированными углами наклона относительно оптической оси, сохраняет ход светового луча строго по оптической оси в процессе калибровки дихрографа. Поскольку свет, при прохождении такого поляризатора пересечет четыре наклонные грани изотропных прозрачных пластин, то степень линейной поляризации света (b), прошедшего одну пару пластин, следует рассчитывать по формуле:

В нашем устройстве таких пар пластин две, то есть пучок света пересечет 8 граней, и его величина будет задаваться формулой:

После этого, свет падает на фазовую пластину, и, после прохождения частично линейно поляризованного света через фазовую пластину, неполяризованная компонента луча не изменится, а линейно поляризованная компонента преобразуется в круговую поляризацию. Меняя угол вращения первой пары пластин, возможно задавать величину КД от нуля (при 90° между плоскостями частичной линейной поляризации первой и второй пар пластин фиг. 4) до максимального значения (при 0° между плоскостями частичной линейной поляризации первой и второй пар пластин фиг. 1 и 2).

Таким образом, в результате прохождения света через устройство получается сигнал, идентичный сигналу после прохождения света через оптически активное вещество с КД, при этом отсутствует частичная линейная поляризация света, вносимая элементами устройства.

Для подтверждения идентичности круговой поляризации света, создаваемой предлагаемым устройством, и круговой поляризацией, возникающей в реальной оптически активной среде, проведем описание поведения света с помощью матриц Мюллера [Шерклифф, У. Поляризованный свет / У. Шерклифф. // – Москва: Изд-во Мир пер. с англ., 1965. – 264 с.].

Световому потоку любой поляризации в матричном представлении Мюллера можно сопоставить единственный столбец-вектор Стокса:

,

четыре параметра, которого соответствует усредненной по времени интенсивности. Первый параметр I называется интенсивностью. Параметры M, C и S называются, соответственно, параметрами преимущественной горизонтальной поляризации, преимущественной поляризации под углом 45° и преимущественной правоциркулярной поляризации. Отрицательная величина параметра соответствует преимущественной ортогональной форме поляризации.

Выражения, описывающие любое оптическое устройство (поляризатор, фазовую пластинку и т.д.), является матрицей Мюллера размерности 4 х 4. Конкретные матрицы характеризуют не только само устройство, но и его ориентацию (азимут). Для получения вектора Стокса, характеризующего световой поток, прошедший совокупность устройств, необходимо перемножить соответствующие матрицы по обычным правилам матричной алгебры с соблюдением следующих условий: вектор, представляющий падающий свет, записывается справа, а матрицы, соответствующие различным устройствам, располагаются последовательно справа налево.

Запишем матрицы Мюллера, описывающие прохождение естественного света через вещество с КД и прохождение света через предлагаемое устройство, состоящее из наклонной изотропной прозрачной пластины диэлектрика с произвольным азимутом и фазовой четверть волновой пластины с нулевым азимутом.

Случай 1. Естественный свет, проходит через вещество с КД

III II I

где S=, Δ=, U⋅=, , - коэффициенты пропускания +, и – круговых волн.

I- Вектор Стокса падающего неполяризованного света единичной интенсивности

II- Матрица Мюллера, соответствующая веществу с круговым дихроизмом (понятие азимута для него не имеет смысла)

III- Результат прохождения света через вещество с КД

Случай 2. Естественный свет проходит через наклонную изотропную пластинку с произвольным азимутом вращения (матрицы VI, V, IV) и далее через фазовую четверть волновую пластину с нулевым азимутом (матрица VII)

VII VI V -IV V IV I

где a=, b=, c⋅=, , - коэффициенты пропускания +, и – круговых волн, n=cos2β, m=sin2β, β – угол вращения пары пластин относительно оптической оси Угол β=0 соответствует скрещенному положению плоскостей частичной поляризации пар изотропных пластин (фиг.4).

IV- Матрица прямого поворота с произвольным азимутом

-IV-Матрица обратного поворота с произвольным азимутом

V- Пара наклонных изотропных пластин с азимутом 0° относительно горизонта (устройство с линейным дихроизмом)

VI- Фазовая пластинка, создающую разность хода между обыкновенным и необыкновенным лучами в четверть длины волны (азимут = 0°)

VII- Результат прохождения света через описываемое устройство.

Вектор Стокса полученного результата после последовательного перемножение матриц, описывающих предлагаемое устройство (перемножение производится справа налево, в соответствии с правилами перемножения матриц).

Сравнив результаты, полученные после прохождения света через вещество с КД и после прохождения света через предлагаемое устройство можно утверждать, что элементы, отвечающие за интенсивность и круговую поляризацию волны в обоих случаях идентичны.

Первый элемент вектора Стокса (). В нем она пренебрежимо мала, равна 1, при угле Брюстера. n=cos2β=1 при β=0, и тогда компонента (второй элемент вектора Стокса) будет равен нулю. Таким образом, полученный вектор Стокса совпадает с выражением для КД в дихроичном веществе (случай 1).

Сопоставление элементов матрицы, отвечающих за круговую поляризацию, показывает, что =, а так как m=sin2β, а b=, ≈1 то элемент зависит от синуса угла вращения пластины диэлектрика.

=b sin2β (8)

По определению круговой дихроизм это , значит зависимость величины КД, получаемой прохождением света через предлагаемое устройство, будет описываться формулой синуса угла поворота изотропных пластин.

В качестве наклонных изотропных прозрачных пластин взяты пластины из плавленого кварца, у которого для λ=550 нм показатель преломления равен n=1.46. При угле наклона пластины, равном углу Брюстера (для плавленого кварца α_Б=55.6°), коэффициент будет равен нулю и, соответственно, степень линейной поляризации проходящего луча, рассчитанная по формуле (3) достигнет максимума и будет равна ≈7%, а после прохождения восьми граней двух пар изотропных пластин (формула (7) ≈ 44 %.

Таким образом, при фиксированном угле наклона пластин плавленого кварца равном углу Брюстера, вращая первую пару пластин относительно оптической оси можно задавать величину "псевдодихроизма" в пределах от 0 до 0.44.

Рабочая область углов вращения β, определяется из формулы (8). Реальные значения КД большинства веществ находятся в диапазоне ≤ 10^-3. Учитывая, что значение угла наклона пластин зафиксировано на угле Брюстера, значение b=0.25. Соответственно,

0.44·sin2φ ≤ 0.001, sin2φ≤, sin2φ≤0.00227, 2φ≤arcsin0.00227

2φ≤0.13 рад.

φ≤0.065 рад. (3.705°).

Рабочая область углов вращения согласованной пары изотропных не превышает 0.065 рад (̴ 3.7°). Отличие от линейности в данном диапазоне углов значительно меньше 1%.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается устройства для калибровки дихрографов кругового дихроизма. Устройство включает в себя частично линейный поляризатор состоящий из пары изотропных пластин диэлектрика равных толщин с фиксированными углами наклона ϕ и ϕ+90° относительно оптической оси и фазовую пластину, обеспечивающую разность хода между обыкновенным и необыкновенным лучами (2m+1)⋅λ/4. Кроме того устройство дополнительно содержит второй частично линейный поляризатор, расположенный между первым частично линейным поляризатором и фазовой пластиной, и состоящий из пары изотропных пластин диэлектрика равных толщин с фиксированными углами наклона ϕ и ϕ+90° относительно оптической оси. Первый на пути луча поляризатор имеет возможность вращения относительно оптической оси, а второй поляризатор неподвижен. Быстрая ось фазовой пластины ориентирована под углом 45° к плоскости частичной линейной поляризации светового луча изотропных пластин второго частично линейного поляризатора. Технический результат заключается в обеспечении устройства для калибровки дихрографов кругового дихроизма в котором отсутствует частичная линейная поляризация света, вносимая элементами устройства. 6 ил.

Устройство для калибровки дихрографов кругового дихроизма, содержащее частично линейный поляризатор, состоящий из пары прозрачных в оптическом диапазоне изотропных пластин диэлектрика равных толщин с фиксированными углами наклона ϕ и ϕ+90° относительно оптической оси, и фазовую пластину, обеспечивающую разность хода между обыкновенным и необыкновенным лучами (2m+1)⋅λ/4, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит второй частично линейный поляризатор, расположенный между первым частично линейным поляризатором и фазовой пластиной, и состоящий из пары прозрачных в оптическом диапазоне изотропных пластин диэлектрика равных толщин с фиксированными углами наклона ϕ и ϕ+90° относительно оптической оси, при этом первый на пути луча частично линейный поляризатор имеет возможность вращения относительно оптической оси, второй частично линейный поляризатор неподвижен, и быстрая ось фазовой пластины ориентирована под углом 45° к плоскости частичной линейной поляризации светового луча изотропных пластин второго частично линейного поляризатора.