Рефрактометр нарушенного полного внутреннего отражения Советский патент 1986 года по МПК G01N21/43 

1

Изобретение относится к оптико- еханическим приборам и предназначено для измерений вещественной части , комплексного показателя преломения Aj п - i г исследуемых поглащающих сред, например жидкостей с показателем поглощения Щ :0,02, относительно прозрачной высокопреломляющей среды (например, стекла) с известным показателем преломления п, ,

Целью изобретения является повьше- ние точности измерений и упрощение конструкции.

На чертеже изображена принципиальная схема рефрактометра нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО).

Устройство содержит осветитель, состоящий из источника 1 света и конденсатора 2, коллиматор с диафрагмой 3, которая установлена в фокусе объектива 4, измерительньш блок в вие высокопреломляющего оптического элемента 5 с цилиндрической входной поверхностью, центр кривизны которой находится на плоской рабочей поверхности, соприкасающейся С исследуемой средой 6. На расстоянии 0,1-0,3 мм от цилиндрической поверхности элемента 5 установлена неподвижно отрицательная плоско-вогнутая инза 7, показатель преломления и радиус кривизны которой равны показателю преломления и радиусу кривизны элемента 5, Элемент 5, кювета 8 с исследуемой средой 6 укреплены на лимбе 9 углоизмерительного устройства 10, причем так, что центр кривизны оптического элемента 5 совпадает с центром вращения лимба 9 углоизмерительного устройства 10.

12

Высокопреломляющий оптический элемент 5 имеет дополнительную плоскую поверхность, перпендикулярную рабочей поверхности и проходящую через центр кривизны элемента 5. На этой дополнительной плоской поверхности с помощью оптического клея закреплены поляризационный фильтр 11 и дополнительное зеркало 12. Плоскость пропускания поляризационного фильтра 1I составляет угол 45 или - 45 по отношению к плоскости падения света. После объектива 4 коллиматора по ходу лучей установлены интерференционный 13 и поляризационный 14 фильтры магнитооптический модулятор 15, четвертьволновая пластина 16 и второй магнитооптический модулятор 17. Плос

10

15

20

25

261982

кость пропускания поляризационного фильтра 14 взаимно ортогональна плоскости пропускания поляризационного фильтра 11 и составляет соответственно угол -45 или 45 по отношению к плоскости падения света. Главные оси четвертьволновой пластинки 16 соответственно совпадают с плоскостями пропускания поляризационных фильт- роэ 11 и 14. Модуляторы 15 и 17 выполнены одинаково и питаются переменными токами одной и той же частоты, например частоты сети w , но в проти- вофазе. Предлагаемое устройство содержит также фотоприемник 18, избирательный усилитель 19 и реверсивный двигатель 20, механически связанный с лимбом 9 углоизмерительного устройства 10, которые составляют следящую систему.

Рефрактометр нарушенного полного внутреннего отражения работает следующим образом.

Сформированный элементами 1-4 и 13 коллимированный монохроматический пучок света проходит поляризационный фильтр I4, модулятор 15, четвертьволновую пластину 16, второй модулятор 17, отрицательную плоско-вогнутую линзу 7 и под углом ОС падает на границу раздела двух сред: стекла, из которого изготовлен оптический элемент 5 НПВО, и исследуемой среды 6. Отраженный от границы раздела сред 5 и 6 Световой поток проходит поляризационный фильтр 11, отражается от зеркала 12, снова проходит через поляризационный фильтр 11 и воспринимается фотоприемником 18. Под воздействием переменного тока частоты 63 магнитооптические модуляторы 15 и 17 преобразуют линейный поляризованный свет так, что происходит периодическое с частотой 0 изменение как азимута поляризации (f , так и разности фаз S между Р- и S-составляющими на величину, например, 0,01 от максимальной величины. Этим достигается периодическое с частотой к наложение вынужденных колебаний на поляризационные параметры С) и , которые изменяются при изменении угла падения oi .

30

35

40

45

50

55

Фотоприемник .18 воспринимает свет, изменяющийся по закону

1 - ---- l-Cos 29. Cos + А« К Sin 2у - SinS. Cos 2v ) - Sincot ,

ot

A 3 12 где Ig - интенсивность падающего на поляризационный фильтр 1.4 света;

коэффициент прохождения света через оптическую схему; амплитуда модуляции. Если угол падени51 света оИ меньше, псевдокритическогос ср arc + t i где n и Эе - относительно показатели преломления и поглощения,то в резуль- тате эффекта преобладания двойного относительного изменения азимута линейной поляризации 2 if над относителным изменением разности фаз S при отражении от границы раздела сред 5 и 6 переменная составляющая частоты СО сигнала фотоприемника 18 по фазе будет такой, как фаза возбуждения мо дулятора 17. А если oi. : , то в результате преобладания относительного изменения разности фаз S над азимутом 2(f переменная составляющая , сигнала фотоприемника 18 по фазе будет такой, как фаза возбуждения модулятора 15, т.е. отличается на и радиан по сравнению с рассмотренными случаями. Переменная составляющая сигнала фотоприемника 18 усиливается избирательным усилителем 19 и подается на обмотку управления двигателя 20, который через редуктор перемещает лимб 9 вместе с элементом 5 и исследуемой средой

6 в угсоответствующем

6 в угнаправлении,

При оС Kf, когда 2(f S , в : спектре сигнала фотоприемника 18 исчезает первая гармоника частоты со и двигатель 20 останавливается. Значение измеренной вещественной

части п комплексного показателя преломления п п - j ЭС исследуемой среды определяют по формуле п n,Sinoc p,, где п, - известный заранее показатель преломления стекла элемента 5.

Рефрактометр может быть выполнен в других вариантах. Например, осветитель и фотоприемник могут меняться местами, а вместо магнитооптических могут бытьприменены электрооптические или электромеханическиемодуляторы.

Предлагаемый рефрактометр нарушенного полного внутреннего отражения имеет ряд преимуществ по сравнению с 55 известными.

Устройство имеет только один подвижный узел, состоящий из оптическо261

jQ ь- , 2о25 JQ

35

40

45

50

55

98. 4

го элемента 5 с поляризационным фильтром 11, зеркалом 12 и кюветой 8 и исследуемой средой 6, который закреп- лен на лимбе 9. Это позволяет исключить ряд ощибок, связанных с перемещением фотоприемника, и hoвыcить точность измерения угла падения света, следовательно, повысить точность измерений показателя преломления исследуемой среды 7. Одновременно упроща- ется конструкция.

В устройстве поляризационный /фильтр 11 закреплен совместно с зер- калом 12 на оптическом элементе 5, что позволяет исключить влияние эффекта отражения поляризационного света от зеркала 12 на состояние поляризации света и существенно сократить длину пути поляризованного пучка света в стекле на участке между поляризационными фильтрами. Это также позволяет повысить точность измерений.

Предлагаемое конструктивное исполнение рефрактометра упрощает его юстировку и процесс измерений, который сводится к автоматическому управлению псевдокритического угла с помощью простейшей следящей сйсте- мы и рещению с помощью встроенного либо установленного отдельно микпо- калькулятора простого уравненная п п, .

Формула изобрете ния

Рефрактометр нарущенного полного внутреннего отражения, содержащий осветитель и последовательно расположенные по ходу пучка света коллиматор, интерференционный и поляризационный фильтры, два модулятора состояния поляризации света с расположенной между ними четверть1волновой пластиной, измерительный блок, содержа- щлй высокопреломляющий оптический элемент с цилиндрической или сферической входной поверхностью, центр кривизны которой находится на плоской рабочей поверхности, соприкасающейся с исследуемой средой, отрицательную плосковогнутую линзу, показатель преломления и радиус кривизны которой равны показателю преломления и радиусу кривизны высокопреломляющего, оптического элемента, при этом и змерительный блок механически связан с углоизмерительным устройством, центра вращения которого совпадает с центром кривизны оптического элемента, и второй поляризационный фильтр, плоскость поляризации которого взаимно ортогональна плоскости поляризации первого поля- ризационного фильтра и составляет угол +45 с плоскостью падения света а также фотоприемник, электрически соединенный со следящей системой, отличающийс я тем, что, с целью повьшения точности измерений и упрощения конструкции, в .рефрактометр дополнительно введено зеркало, а высокопреломляющий оптический эле-

мент выполнен в виде четвертой части цилиндра или сферы, на нерабочей плоской поверхности которого последовательно закреплены второй поляризационный фильтр и зеркало, причем осветитель установлен так, что падающий на Оптический элемент пучок света шириной.d смещен относительно ребра, образованного его рабочей и нерабочей поверхностями, на величину

где L - ширина рабо - r L - 2 - 2 чей поверхности оптического элемента в плоскости падения.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и предназначено для измерения вещественной части показателя преломления поглощающих сред относительно прозрачной высокопреломляющей среды с - известным показателем преломления. С целью повьшения точности измерений высокопреломляющий оптический элемент выполнен в виде четвертой части цилиндра или сферы с центром кривизны на плоской рабочей поверхности, соприкасающейся с исследуемой средой, а на его нерабочей плоской поверхности закреплены поляризационньтй фильтр и зеркало, причем осветитель установлен так, что падающий на оптический элемент пучок света шириной d смещен относительно ребра, образованного его рабочей и нерабочей поверхностями, на величину L -(d/2), где L - ширина рабочей поверхности оптического элемента в плоскости падения, 1 ил. G (Л

20

Редактор Л.Гратилло

Составитель С,Голубев Техред Н.Бонкало

Заказ 2 18/36Тираж 778Подписное

ВНИИШ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раущская наб. , д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная,4

Корректор Т.Колб