Поляризационный рефрактометр нарушенного полного внутреннего отражения Советский патент 1985 года по МПК G01N21/43 

Изобретение относится к оптикомеханическим приборам и предназначено для измерений методом нарушенно го полного внутреннего отражения (НПВО) вещественной части комплексного показателя преломления г исследуемых сред, например жидкостей (для большинства которых показатель поглощения зРг находится в пределах 2 г 0,02) относительно известной среды, например стекла. Целью изобретения является повышение точности измеренийпоказателя преломления прозрачных и поглощающих сред. В предлагаемом устройстве применение неподвижной двулучевой преломляю щей призмы с углом раздвоения В , arctg -3- в сочетании с- разделителем света в виде диафрагмы диаметром d, установленной в фокусе f объектива и в сочетании с диафрагмой диаметром J) , равным диаметру рабочего пучка, которая установлена со стороны элемента НПВО на расстоянии I / D(2tge) от отражающего зеркала, позволяет решить важную задачу: для падающего на элемент НПВО пучка света призма Волластона является линейным поляризатором с азимутом плоскости поляризации, например +45 к плоскости пад ния, в то же время для отраженного дважды от элемента НПВО пучка света эта же призма является линейным анализатором с азимутом плоскости пропускания взаимно ортогональным по отношению к падающему пучку, т.е. -45° Это позволяет использовать дву-; кратное отражение для НПВО (автоколлимационный вариант схемы), что приводит к повышению чувствительности и точности измерений показателя преломления сред методом НПВО, а также благодаря смещению в пространстве взаимно ортогональных по плоскости поляризации пучков света применить зеркальное разделение пучков света практически без потерь световой энергии, что приводит к повышению чувствительности и точности измерений. На чертеже изображена принципиальная схема предлагаемого поляризационного рефрактометра НПВО. Устройство содержит источник света 1, формирователь коллимированного монохроматического пучка света, состоящего из конденсатора 2, диафрагмы 3, находящейся в фокусе объектива 4 с ф 1 702 усным расстоянием f , и светоильтра 5, поляризационную двоякопреломляющую призму Волластона 6, магнитооптический модулятор 7, элемент НПВО, например, в виде стеклянной призмы 8 с углами рабочих боковых граней (Г соприкасающейся с исследуемой средой 9, за которым закреплено, например, с помощью параллелограмма 10 с микрометренным винтом 11 зеркало 12. Диафрагма 3 одновременно служит разделителем прошедших и отраженных пучков и выполнена, например в виде стеклянного кубика, склеенного из двух призм, на диагональную плоскость одной из которых нанесено непрозрачное зеркальное покрытие с отверстием в центре диаметром d . Модулятор 7 возбуждается переменным током частоты «- , например от сети. Поляризационная призма Волластона 6 имеет угол раздвоения пучков В arctg и закреплена неподвижно так, что плоскости поляризации падающих пучков имеют углы ± 45° с плоскостью падения, а один из раздвоенных пучков является рабочим пучком. За двоякопреломляющей призмой 6 находится ограничивающая диафрагма 13, отверстие которой равно диаметру D рабочего пучка света, и она установлена на таком расстоянии L от зеркала, что выполняется, условие 1 5 D(2tgB). За диафрагмой 13 установлен неподвижно модулятор 14 разности фаз, например электрооптический, наведенные оси которого совпадают соответственно с плоскостью раздела сред и плоскостью падения. Модулятор 14 возбуждается переменным электрическим полем той же частоты сО , что и магнитооптический модулятор 7. Амплитуда и фаза возбуждения модулятора 14 выбраны так, что в любой момент времени относительное приращение разности фаз между р- и 5-компонентами падающего пучка света равно удвоенному относительному приращению азимута линейной поляризации этого же пучка, но с обратным знаком. Одно из плеч параллелограмма 10 связано с лимбом 15 углоизмерительного устройства, которое содержит пентапризму 16, объектив 17, сетку .18 и окуляр 19. Со стороны наклонной зеркальной поверхности диафрагмы 3 пучков установлен фотоприемник 20, который через избирательный усилитель 3 21 электрически связан с реверсивны двигателем 22. Двигатель 22 через редуктор 23 механически связан с ми крометренным винтом параллелограмма 10. Поляризационньй рефрактометр НПВ работает следзпощим образом. Сформированный элементами 1-5 коллимированный монохроматический пу чок света падает на призму Волластона 6 и под углом J3 раздваивается на два пучка с взаимно ортогональной ориентацией плоскостей поляризации, которые в свою очередь составляют углы - 45 с плоскостью падения. Один из раздвоенных пучков проходит диафрагму 13, модулятор 14, модулятор 7, отражается от границы раздела известной среды призмы 8 с исследуемой средой 9, зеркалом 12 пучок возвращается обратно, повторно отражается от границы раздела сред 8-9, снова проходит модуляторы 7 и 14, призму Волластона 6. Другой раздвоен «ьш пучок задерживается диафрагмой 13 и в работе не участвует. Если исследуемое вещество 9 прозрачное ( Д- света с рабочей длиной волны Д , а угол падения оС равен критическому углус(р , при котором после отражения не происходит измене ний состояния поляризации линейно поляризованного света, то объективом 4 свет фокусируется в плоскости отверстия диафрагмы-разделителя 3 и возвращается в сторону источника « света 1. Если среда 9 является погло щающей (ЗС2 /0) или угол падения с 5 о крПри любых значениях Зв , то возвращаемый на призму 6 свет по состоянию поляризации отличается от исходного рабочего пучка и призмой 6 снова разделяется на две компоненты. Одна из компонент по-прежнему проходит диафрагму 3, а другая объективом 4 фокусируется на зеркальном слое диафрагмы 3 в стороне от его от верстия и, отражаясь от него, направ ляется на фотоприемник 20. Фотоприем ник .20 воспринимает свет интенсивности J , изменяющейся по закону j.2o.(.o 2VaC05&-2f -(2 w2 4 o-5 n2$-cos 2ro)-siria)t|j где - интенсивность неполяризованного света, падающего на призму Болластона 6, R - энергетический коэффициент 704 отражения оптической систе- . мы; f),S относительные изменения азимута восстановленной линейной поляризации и разности фаз между р- и 1 -компонентами поляризованного света после отражения, /(и) - амплитуда и частота модуляции состояния поляризации модуляторами 7 и 14. Если угол падения света оС меньше псевдокритического оС,р arcsif | in2- x, где п и as - относительные показатели преломления и поглощения, то в результате эффекта преобладания двойного относительного измерения азимута восстановленной линейной поляризации 24, над относительным изменением разности фаз S при двукратном отражении от границы раздела сред 8-9 переменная составляющая частоты л; сигнала фотоприемника 20 по фазе будет такой, как фаза возбуждения модулятора 7. А если о то в результате преобладания относительного изменения разности фаз § над азимутом 2 переменная составляющая сигнала фотоприемника 20 по фазе будет такой же как фаза возбуждения модулятора 14, т.е. отличаться на TI рад по сравнению с рассмотренными случаями. Переменная составляющая сигнала фотоприемника 20 усиливается избирательным усилителем 21 и подается на обмотку управления двигателя 22, который через редуктор 23 вращает микрометренный винт 11 и тем самым изменяет угол падения о в направлении, соответствующем углу . При о( , когда 2 S- 0,17, в спектре сигнала фотоприемника 20 исчезает первая гармоника частоты « и двигатель 22 останавливается. Зна-чение « поворота призмы 8 с жидкостью 9 определяют с помощью лимба 15, изображение которого объективом 17 переносится в плоскость сетки 18 и наблюдается с помощью окуляра 19. Истинное значение псевдокритического угла падения с/«р определяют) по формуле - 2:,р г-si.(ei:) . Значение измеренной вещественной асти 2 комплексного показателя преомления П2 - п -7 2определяют по ормуле П, - п,

ПОЛЯРИЗАЦИОННЬП РЕФРАКТОМЕТР НАРУШЕННОГО ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ (НПВО), содержащий источник света и последовательно расположенные по ходу пучка света формирователь коллимированного монохроматического пучка света, включающий конденсор, разделитель пучков света и светофильтр, поляризационный фильтр, модуляторы разности фаз и азимута преимущественной поляризации, элемент НПВО и зеркала, закрепленное на одном из плеч параллелограмма, механически связанного с лимбом углоизмерительного устройства, а также оптически связанный с разделителем пучков света фотоприемник, выход которого электрически соединен через усилитель с входом двигателя, механически связанного с параллелограммом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в устройство введены объектив с фокусным расстоянием f , установленный между разделителем пучков света и светофильтром, а также ограничивающая диафрагма диаметром D , равным диаметру рабочего пучка света, разделитель пучков света выполнен в виде непрозрачного зеркала с отверстием диаметром d в зеркаль ном слое и установлен в фокальной (Л плоскости объектива,-а поляризационный фильтр вьшолнен в виде двоякопреломляющей призмы с углом раздвоения взаимно ортогональных поляризационных пучков 90 arctg и закреплен неподвижно таким образом, что плоскости поляризации пада ющих пучков составляют углы - 45 ° с плоскостью падения, причем ограничивающая диафрагма установлена между двоякопр(еломляющей призмой и модулятором разности фаз на расстоянии f от зеркала, удовлетворяющем условию