Поляриметр - дихрограф Советский патент 1989 года по МПК G01J4/04 G01N21/19 

Изобретение относится к оптическим устройствам, в частности к поляриметрическим приборам, и может найти применение при измерениях вращения плоскости поляризации и кругового дихроизма оптически активных объектов.

Целью изобретения является упрощение конструкции прибора, обеспечение возможности одновременной, независимой и непрерывной регистрации как оптической активности, так и кругового дихроизма одного и того же образца, что особенно важно при исрле- дованиях быстропротекающих процессов.

На чертеже приведена схема по- ляриметра-дихрографа.

Устройство содержит расположенные последовательно вдоль одной оптической оси источник 1 света, монохрома- тор 2, поляризатор 3, например призма ФранкА-Риттера, модулятор 4 состояния поляризации света, представляющий собой, например, ячейку По- кельса - пластинку кристаллического дигидрофосфата аммония с прозрачными торцовыми электродами, оптические оси которой расположены под углом 45° к оси поляризатора 3, исследуемый образец 5, анализатор 6, например призма Франка-Риттера, ось которого составляют угол 45 с осью поляризатора 3, и приемник 7 света. Электрическая часть схемы поляримет- ра-дихрографа состоит из генератора 8 модулирующего синусоидального напряжения, подключенного к ячейке По- кельса 4, уйилителя 9 постоянного тока с полосой пропускания не менее удвоенной частоты модуляции, вход которого подключен к приемнику 7 света, а выход - к двум синхронным дтекторам -10 и 11. Синхронный детекто 10 настроен на первую гармонику, а синхронный детектор 11 на вторую гармонику частоты модулирующего напряжения генератора 8. Регистрирующие устройства 12 и 13, например автоматические, самопишущие потенциометры, подключены к выходам синхронных де- .текторов 10 и 11 соответственно.

Поляриметр-дихрограф работает следующим образом.

Луч света от источника 1 света проходит через монохроматор 2 и поляризатор 3, которые формируют монохроматическую линейно -поляризованную волну. В комплексной плоскости, оси которой

5

перпендикулярны оптической оси устройства, причем действительная ось направлена параллельно оси пропускания поляризатора 3, вектор напряженности электрического поля световой волны после поляризатора 3 может быть представлен в виде EcostOt, где Е - амплитуда колебаний, со - частота света. Разложение этого вектора по осям модулятора 4, повернутым на

45 , приводит к выражению:

tt

Е 5 Е Е cosOt -|, е cosWt t

coscot

. и -

(1)

0

5

0

5

Модулятор 4 вносит в эти колебания разность фаз о

Е f . О/оч Е - е cos (cot + 5/2) + е

Е г

fcos ((i)t - 8/2) If |е

.cos( + S/2) + cosCj - /2) (2)

4ч

Таким образом луч, выходящий из ячейки Покельса 4 и попадающий на исследуемый образец.5, представляет собой сумму двух циркулярно-поляри- зованных лучей, соотношение амплитуд которых зависит от внесенного ячейкой Покельса 4 сдвига фаз S . Если образец обладает круговым дихроизмом, т.е. имеет различные коэффициенты поглощения для право- и левоциркулярно- поляризованных волн, то после прохождения через образец 5 вектор напряженности электрического поля равен

Ege

idi k

т, - W

+ ,

(3)

где и Е

Е. E/-4I cos (/4 + «72) Е/42 ( ir/4 - S/2) - ам5

0

5

плитуды лево и правоциркулярно-поля- ризованных волн, соответственно;

е,г показатели поглощения лево- и правоциркулярно-поляризованных волн, соответственно,

Если,кроме того,образец обладает оптическим вращением,т.е. плоскость колебаний вектора Е поворачивается на некоторый угол , то после прохождения через анализатор 6, ось пропускания которого составляет,угол 45 с осью пропускания поляризатора 3, электрическое поле равно

(cot- )

+ Е cos

(ot

IT

7. COS (Ot + () ) (A)

где. z lE|+E2+2EgE cos2(4 -p амплитуда;

p - фаза результирующего колебания, соответственно. Величина светового потока, падающего на приемник 7 света, пропорциональна квадрату амплитуды z. После элементарных преобразований с учетом (3), (4), введя средний показатель поглощения Е ( + /2 и разность показателей поглощения л е t- характеризующую круговой дихроизм, выражение для z сводится к виду:

Е2 4

-Е

Г, -ье/2

1(е +

,

) +

, bf.12 де/2 (е - е

)sin + 2 sin2ycosS 20

Так как величина кругового дихроизма Л редко превышает 0,01, то мож- нЬ разложить экспоненты в степенной ряд по Д и сохранить только члены первого порядка. Величина J , характеризующая поворот плоскости поляризации, обычно составляет доли углового градуса и редко равна нескольким градусам, следовательно, sin 2у можно заменить на 2у. Таким образом, регистрируемый приемником 7 световой поток вызывает соответствующий сигнал на выходе усилителя 9 У„ , равный

V- S К,т- е (2 4jcos5) , 3 34(g)

где S - чувствительность приемника

7 света;

К . - коэффициент усиления усилите- ля 9;

- световой поток после поляризатора 3.

Вносимая ячейкой Покельса разность фаз прямо пропорциональна приложенному напряжению. Следовательно, при использовании синусоидального модулирующего напряжения о

выражение (6) принимает вид:

V SK е (eSin;S t)-i+4ycos (Sj sinibt) ,(7)

где - амплитуда;

ib - частота модуляций.

Второй и третий члены в выражении (7) могут быть разложены в ряд Фурье: sin(SosinS,t) 2 j,(Jo)sinS,t+

f

10

20

693634

+2 j(S Jsin3SotH-...cos(ff, )

o(So +2|jS,) cos2,t-f2f(). n cos4ibt..., 5 т.е. второй член содержит только

нечетные, а третий член только четные гармоники частоты модуляции :О и их амплитуда пропорциональны значениям соответствующих функций Бесселя нечетных и четных порядков.

Таким образом, в спектре выходного сигнала присутствуют постоянная cocf тавляющая, нечетные гармоники частоты модуляции, амплитуда которых пропорциональна величине кругового дихроизма (л ), и четные гармоники, амплитуда которых пропорциональна углу поворота плоскости поляризации (у).

Сигнал с выхода усилителя 9 поступает на синхронные детекторы 10 и 11, причем на выходе детектора 10 он пропорционален величине кругового дихроизма Д и не зависит от угла у , а на выходе детектора 11 - пропорцио- кален углу поворота плоскости поляризации X и не зависит от величины

15

25

.JQ -

35

40

45

55 :

50

.

Таким образом, устройства 12 и 13 независимо и одновременно регистрируют и круговой дихроизм,и оптическое вращение.

Формула изобре. тения

Прляриметр-дихрограф, содержащий источник света и оптически связанные монохроматор, поляризатор, ячейку Покельса, соединенную с генератором синусоидальных колебаний, держатель исследуемого образца и приемник света, синхронный детектор, настроенный на основную частоту .модуляции с реги- . стратором, соединенный с фотоприемником через усилитель, отличающийся тем, что, с целью обеспечения одновременной и независимой регистрации кругового дихроизма и оптического вращения, между держателем исследуемого образца и приемником света введен анализатор, оптическая ось которого составляет угол 45° с осью поляризатора, а к выходу приемника света параллельно подключен д ополнительный синхронный детектор с дополнительным регистратором, настроенный на вторую гармо- рику частоты модуляции.

Изобретение относится к области оптических исследований и может быть использовано в лабораторной практике при измерениях вращения плоскости поляризации и кругового дихроизма оптически активных объектов. Целью изобретения является обеспечение возможности одновременной непрерывной регистрации как оптического вращения, так и кругового дихроизма одного и того же образца. Луч света от источника 1 пропускают через монохроматор 2 и поляризатор 3. Далее луч света проходит через ячейку Покельса 4, которая вносит в эти колебания разность фаз. Луч, выходящий из ячейки Покельса 4 и попадающий на исследуемый образец 5, представляет собой сумму двух циркулярно поляризованных лучей, отношения амплитуд которых зависят от внесенного ячейкой Покельса 4 сдвига фаз. Сигнал с выхода усилителя 9 подают на синхронные детекторы 10 и 11, причем на выходе детектора 10 он пропорционален величине кругового дихроизма и не зависит от угла )Г , а на выходе детектора 11 пропорционален углу поворота плоскости поляризации J и не зависит от л . Данные по круговому дихроизму и оптическому вращению дополняют друг друга и только совместно дают достаточную информацию об опти- j ческих свойствах излучаемых объектов. 1 ил. i (Л О5 СО со О5 оо