Устройство для измерения величины двулучепреломления Советский патент 1984 года по МПК G01N21/23 

Изобретение относится к оптике анизотропных сред, а именно к устройстйай для измерения малых коэффициентов преломления предельно тонких объектов, имеющих сравнимую с длиной волны света толщину, и может быть использовано в биофизических исследованиях, например для излучения структуры биологических и модельных мембран.

Известно устройство, в котором свет, прошедший через образец и анизотропную пластину в четверть волны, расположенную между образцом и модулятором, модулируется с помощью вращающегося поляроида, а сигнал регистрируется с помощью чувствительного фазометра l .

Недостатком этого устройства является небольшая глубина и линейность модуляции, а следовательно, невысокая чувствительность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения величины двулучепре.ло2чпвния, содержащее источник монохроматического света и расположенные -по ходу луча поляризационную призму, модулятор, измерительную кювету, анализатор и приемник излучения, соединенный со схемой обработки сигнала. Поляризованный свет падает на пьезоэлектрический модулятор, в котором под воздействием внешнего электрического поля, изменяющегося с некоторой частотой, возникает оптическая анизотропия, пропорциональная напряженности этого поля. Таким образом, на объект приходят обыкновенная и необыкновенная (обусловленная анизотропией) волны с разностью хода Ф, периодически меняющейся во времени. Объект, обладающий собственной анизтропией, вносит дополнительную разность хода, которая и характеризуетвеличину двулучепреломлекия S .Свет прошедший через объект, проходит анализатор, скрещенный с поляризатором, и падает на приемник 2j .

Недостатком известного устройств является низкая чувствительность к измеряемой величине (), так как модулятор не обеспечивает линейность модуляции и стабильность амплтуды модуляции, а наличие раздельны поляризатора и анализатора приводит к спонтанному изменению степени их скрещивания и возникновению дополнительных ошибок.

Целью изобретения является повышение чувствительности устройства.

Поставленная цель достигается Тем, что в устройство для измерения величины двулучепреломления, содержащее источник монохроматического света и расположенные по ходу луча поляризационную призму, модулятор.

измерительную кювету и приемник излучения, соединенный со схемой обработки сигнала, дополнительно введено плоское зеркало, установленное перпендикулярно направлению хода луча, за измерительной кюветой, .а модулятор выполнен в виде вращающейся -анизотропной полуволновой пластины.

Возможность повысить чувствительность появляется в данном устройстве вследствие того, что анизотропная пластина вращает плоскость поляризации света (т.е. меняет направление плоскости поляризации, что и обеспечивает высокую степень линейности модуляции, благодаря независимости полезного сигнала от амплитуды модуляции. Использование одной и той же призмы в качестве поляризатора и анализатора устраняет проблему поддержания, высокой степени их скрещения, необходимую для достижения высокой чувствительности.

На фиг. 1 представлена схема устройства, на фкг. 2 - ход прямого луча в призме; на фиг. 3 - ход обратного луча; -на фиг. 4 - зависимость величины двулучепреломления от напряженности электрического поля а ячейке Керра.

Устройство содержит источник монохроматического света - лазер 1, плоское зеркало 2, поляризационную призму 3, вращающуюся кварцевую полуволновую пластину 4, измернтел1г ную кювету 5, клоское зеркало 6, приемник 7 излучения, многоканальный анализатор 8 и ЭВМ 9.

Устройство работает следующим образом.

Свет от лазера 1, отразившись от плоского зеркала 2, проходит через поляризационную призму 3, представляквдую собой клин, вырезанный из исландского шпата. После прохождения поляризационной призмы 3 луч проходит через вращающуюся с частотой со кварцевую пластину в полволны, вырезанную параллельно оптической оси кварца, модулирующую плоскополяризованный свет так, что плоскость поляризации его на выходе из пластин вращается с частотой 2(0 в сторону, противоположную вращению пластины. Частотами задается произвольно. Далее пройдя через исследуе1 1ый объект и отразившись от плоского зеркала б, све снова проходит через объект и полуволновую пластину 4. Поскольку свет проходит через модулятор дважды, то на выходе из нее (если двулучепреломяение объекта равно 0). он снова преобразуется в плоскополяризованный свет с невращающейся плоскостью пол ризации, имеющей то же направление, что и первоначально падающий луч. Это позволяет использовать одну и Ту же призму 3 в качестве поляризатора и анализатора (фиг. 2)..Свет, выиед ший из анализатора под углом fl. отразившись от зеркала 2, попадает на приемник 7 излучения. Сигнал с приемника излучения поступает на многоканальный анализатор 8, регист рируюЕций интенсивность света Jli) за период вращения в полуволновую пластинку 4. На выходе анализатора 8 имеем спектр, обсчитываемый на ЭВМ 9 (# 4in 2Ql-4i4irt2 teC052(VJt- ficos 2 2oij-pHi« 4u)t-6sm2(2od(,-p)eo34Qt3 где (j/ - величина, характеризующая отличие падающего на образе света от плоскополяризованн го; 01 - коэффициейт скрещения поляр затора и анализатора 4if, - угол между оптической осью пластины и плоскостью поляризации падающего света в момент времени t 0; О - коэффициент двулучепреломпе ния объекта. Обработав полученный спектр с по мощью ЭВМ, определяют величины « , и угол между оптической осью объекта и плоскостью поляризации прошедшего через призму 3 света . В предлагаемом устройстве по пезный сигнал не зависит от амплитуды модуляции, так как ((sin 2ut + +S5n w +а)-.Следовательно, исчеза ют проблемы-, связанные со стабилизацией амплитуды, что обеспечивает высокую степень модуляции. Благодаря введению плоского зеркала луч проходит туда и обратно через объект и лоляризационную призму, которая выполняет одновременно роль поляризатора и анализатора. Это обеспечивает высокую степень постоянства скрещения. Предлагаемое устройство реализовано и использовано для «злучения влияния МС1ГНИТНОГО поля на структуру биологических лапоидных мембран толщиной 100 А. В качестве источника света используетсяйе-Не лазер t, 630 им, модулятором ешужит пластина в полволны, вырезанная из кристаллического кварца параллельно его оптической оси, 1 Фl, диаметром 10 мм с параметром совершенства С|) (3,29+ +0,01)- 10. Свет регистрируется фотоумножителем ФЭУ-84. Форма сигнала на выходе записывается многоканальным анализатором ТN 1024 и обсчитывается с помощью ЭВМ ЕМС-666. Установка откапибрована на ячейке Керра с нитробензолом. Калибровочный график представлен на фиг. 3, из которого видно, что чувствительность устройства составляет 4 1(, что вьЕие на дватри порядка аналогичных устройств для измерения величины двулучепреломления.

Фиг. 2

Фиг. 2

УСТРОЙСТЮ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЯ, содержащее источник монохроматического света и расположенные по ходу луча поляризационную призму, модулятор, измерительную кювету и приемник излучения, соединенный со схемой обработки сигнала, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности устройства, в него дополнительно введено плоское зеркало, установленное перпендикулярно направлению хода луча, за измерительной кюветой, а модулятор выполнен в виде вращающейся анизртропной полуволновой пластины. , с $ (Л