Поляриметр Советский патент 1985 года по МПК G01J4/04 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к поляриметрическим приборам для ис следования двулучепреломления и напряжений в прозрачных объектах. Известны поляриметры, предназна- чанные для измерения азимута главных направления и разности хода, состоящие из осветительной части, содержащей источник излучения и пол ризатор, и регистрирующей части, содержащей устройство вращения плос кости поляризащ1И, фотоприемное устройство и фазометр. Оптические каналы измерения разности хода и азимута главных направлений совмеще ны. Электронные каналы разделяются после фотоприемного устройства. При работе поляризатора устройство вращения плоскости поляризации, например вращающийся поляризатор, модулирует световой пучок по интенсивности так, что амплитуда перемен ного сигнала на выходе фотоприемног устройства несет информацию о разности хода, а его фаза - об азимуте главных направлений СОНаиболее близким к предлагаемому является поляриметр, содержащий осв тительную часть, в состав которой входят источник излучения и поляризатор, регистрирующую часть, в состав которой входят последовательно расположенные по ходу луча четверть волновая пластина, поляризатор и фо топриемники, и подключенный к фотоприемникам блок обработки информаци содержащий сумматрр и подключенный к нему фазометр С2 3. Недостатками данного устройства являются низкие надежность, точност и быстродействие. Цель изобретения - повышение надежности, точности и быстродействия Поставленная цель достигается тем, что,-В поляриметр, содержащий осветительную часть, в состав которой входят источник излучения и поляризатор, регистрирукщую часть, в состав которой входят последовательно расположенные по ходу луча четвертьволновая пластина, поляризатор и фотоприемники и подключенный к фотоприемникам блок обработки информации, содержащий сумматор и подключенный к нему фазометр, в осветительную часть после источника излучения дополнительно введены последовательно расположенные по ходу луча модулятор с подключенным к нему генератором и светоделитель, образующий, второй канал,идентичньй первому, причем поляризатор в каждом канале излучения вьтолнен линейным, в регистрирующей части в каждом канале поляризатор выполнен двулучепреломляющим, в блок обработки информации дополнительно введены два дифференциальных усилителя, каждый из которых подключен к выходам двух фотоприемников каждого канала, при этом выходы дифференциальных усилителей подключены к сумматору, а фазометр - к генератору. На чертеже приведена принципиальная схема поляриметра. Поляриметр содержит осветительную часть, состоящую из источника излучения 1, модулятора 2, подключенного к генератору 3, светоделителя 4, поляризаторов 5 и 6, держателя исследуемого объекта 7, регистрирующую часть, в которую входят четвертьволновые пластинки 8 и 9, поляризационные призмы, например призмы ВоллаСтона 10 и 11, фотоприемные устройства 12-15, дифференциальные усилители 16 и 17, суммаг тор 18 и фазометр 19. Поляриметр работает следующим образом. Излучение источника 1 модулируется по интенсивности модулятором 2 с частотой ы, задаваемой генератором 3, Светоделитель 4, состоящий, например, из светоделительного куба и поворотного зеркала, разделяет излучение на два независимых пучка одинаковой интенсивности. Линейные поляризаторы 5 и 6 имеют постоянные и несовпадающие азимуты dg и аС, например 0°, . Таким образом, исследуемый объект освещается двумя пучками с различной поляризацией, в отличие от прототипа и известных, что исключает устройство вращения плоскости поляризации. Состояния поляризации каждого пучка излучения после прохождения исследуемой области объекта в общем случае эллиптические . Четвертьволновые пластинки 8 и 9 и поляризационные призмы, например призмы Волластона 10 и 11, устанавливают со следующими постоянными азимутами, соответственно: впервом пучке of-j , о(.

3,1

во втором пучке °(° 90 Азимуты во втором пучке отличаются на соответствующих азимутов в первом пучке. Поляризационная призма, в частности призма Волластона, разделяет падающий на нее пучок излучения произвольной поляризации на два линейно-поляризованных пучка. Азимут плоскости поляризации одного из выходящих пучков совпадает с азимутом поляризационной призмы, а другого отличается на 90.

Интенсивность пучка, падаюцего на фотоприемное устройство 14. имеет амплитуду

I,, (1+sin 2oisind) ; где Е М М MEj - вектор Джонса излучения, падающего на фотоприемJ. ное устройство 14 . Ej Eotoj - вектор Джонса излучения после поляризатора 5; М,Мо и М - соответственно матрицы Джонса исследуемого объекта,

четвертьволновой пластинки 9 и поляризатора с азимутом Wi справедливы следующие выражения

ttos.(f/2 cos 2oL 5 Stn (/2 sin 2(i cos cfli-isin сЛ/2 cosotj

MO М i .

где « - разность хода исследуемого

участка объекта; 0 - азимут главных направлений; А - коэффициент пропорциональности.

Аналогично получаем амплитуды интенсивностей пучков, падающих на фотоприемные устройства 12, 13 и 15

(1+00520 sin «Л) J,(l-cos2o.) (1-Sin2Gtsin)

Сигналы с фотоприемных уст- ройств 12 и 13 взаимно вычитаются и усиливаются дифференциальным усилителем 16, на выходе которого будет сигнал

V kА COS 2ot Sin сЛces tu ,

39976Л

где к - коэффициент пропорциональности.

Аналогично на выходе дифференциального усилителя 17 получаем 5

V КА sin icL cAoos«o t

Сигналы и V, складываются в сумматоре 18, причем предварительно фаза сигнала V,-, увеличивается

на 90 фазовращателем, входящим в сумматор. На выходе сумматора будет сигнал, пропорциональный следующему

.5incAco5(u))

Амплитуда выходного сигнала сумматора несет информацию о разности хода. Фаза этого сигнала измеряется

фазометром 19, на который подается опорный сигнал с генератора 3, на выходе фазометра получает сигнал, пропорилональный азимуту главных направлений.

Возможен вариант устройства, когда регистрируются непосредственно сигналы , и , несущие всю информацию об i и cf. Этот вариант осуществлен на практике. Были использованы следующие элементы: 1 - лазер ЛГ-52-2, 2 - МЛ-4, 3 - генератор Г5-ЗВ, 4 - расщепитель, состоящий из светоделительного куба ЮхЮхЮьп и алюминиевого зеркала, 5,6- приз-

мы Глана-Томпсона 15x15x10 мм, 8, 9 - четветьволновые пластины из слюды, 10, 11 - плазмь Волластона из исландского) штапа 15x15x15 мм, 12-15 - фотодиоды ФД-9, 16, 17 дифференциальные усилители типа У-2.

Выполнение поляризационных устройств - поляризаторов, четвертьволновых пластин и призм Волластона неподвижными с постоянными азимута

позволяет стабилизировать положение плоскости поляризации света относительно исследуемого объекта и тем самым повысить точность измерения азимута главных направлений

и разности хода до 1 угловой минуты (в приведенном примере). Надежность и быстродействие поляриметра повьппается за счет отсутствия вращающихся частей. Факторами, огра-

ничивающими быстродействие, являются характеристики модулятора, фотоприемников и усилителей. В приведенном примере быстродействие составляет не хуже 10 мкс против.1 мс в прототипе. Технические преимущества изобретения в сравнении с базовым объектом, предназначенным для измерения азимутА главных направлений и разности хода, заключаются в том, что за счет образования второго пучка излучения с исходной поляризацией света, не совпадающей с поляризацие света в первом пучке излучения, поляриметр не содержит вращающегося поляризационного устройства - полуволновой пластины, отсутствуют кине матические связи для изменения азимута четвертьволновой пластины и все азимуты поляризационных устройств постоянные. Это обеспечивает высокую надежность прибора и точ- , ность измерения азимута главных направлений и разности хода, а также его быстродействие. Эффект от использования изобретения заключается в улучшении быстродействия прибора до с и менее, что обеспечивает возможность регистрации быстропротекающих процессов, а также снижает время на проведение измерений; достижении точности измерений азимута главных направлений и разности хода не хуже 1 угловой секунды; повышении надежности работы прибора и достоверности получаемых данных.

1. ПОЛЯРИМЕТР, содержащий осветительную часть, в состав которой входят источник излучения и поляризатор, регистрирующую часть, в состав которой входят последовательно расположенные по ходу луча четвертьволновая пластина, поляризатор и фотоприемники и подключенный к Фотоприемникам блок обработки информации, содержащий сумматор и подключенный к нему фазометр, отличающийс я тем, что, с целью повьопения надежности, точности и быстродействия, в осветительную часть после источника излучения дополнительно введены последовательно расположенные по хо ду луча модулятор с подключенным к нему генератором и светоделитель, образующий второй канал, идентичный первому, причем поляризатор в каждом KaHajie излучения выполнен линейным, в регистрирующей части в каждом канале поляризатор выполнен двулучепреломпяющим, в блок обработки информа о ции дополнительно введены два диффе(Л ренциальных усилителя, каждый из которых подключен к выходам двух фотоприемников каждого канала, при зтом выходы дифференциальных усилителей подключены к су а4атору, а фазометр к генератору. &9 Ф