Способ измерения параметров светонаведенных дихроизма и двулучепреломления Советский патент 1993 года по МПК G01N21/19 

Изобретение относится к нелинейной оптике и может быть использовано для исследования материалов, проявляющих дихроизм просветления и двулучепреломления при облучении поляризованным светом,

Целью изобретения является повышение производительности измерений светона- веденных дихроизма и двулучепреломления.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения светонаведенных дихроизма и двулучепреломления, включающем облучение исследуемой среды возбуждающими импульсами линейно поляризованного света, зондирование возбужденной области среды пробными световыми импульсами и регистрацию поляризованных характеристик прошедших через материал пробных световых импульсов в зависимости от времени задержки пробных импульсов, согласно изобретению, регистрируют временную зависимость выделенной поляризационной компоненты пробных импульсов, а параметры дихроизма и двулучепреломления в материал е определяют следующим расчетным выражением:

TV7i exp{3 /21tg 5-v

Ч $2

00

о ел

W

ел

где а

(S/Si)0

( S/S1 )ma) ( S/Sl )mir

( S/Sl )minV0/ 1 in

причем Тц- пропускание пробного излучения для его поляризации, параллельной к поляризации возбуждения;

TI - пропускание пробного излучения для его поляризации, перпендикулярной к поляризации возбуждения;

Ч - разность фаз для компонент поляризации пробного излучения параллельной

и перпендикулярной к поляризации возбуждения;

д - угол расстройки анализатора от положения скрещенности с поляризацией пробного излучения;

(S/Si)0 - соотношение энергии пробного излучения перед анализатором и за ним в отсутствии возбуждения;

(S/Si)min - соотношение энергии пробного излучения перед анализатором и за ним в минимуме кинетической зависимости;

(S/Si)max -соотношение энергии пробного излучения перед анализатором и за ним в максимуме кинетической зависимости.

Повышение производительности измерений обусловлено тем, что в предлагаемом способе нет необходимости варьировать угловое положение анализатора при условии, что поляризация пробных световых импульсов не совпадает с направлением поляриза1 ции возбуждающего импульса и не было бы перпендикулярным к этому направлению. Такой выбор направления поляризации пробных импульсов позволяет при соответствующей модификации расчета сократить время измерения, т.к. регистрация зависимости параметров пробных световых импульсов от времени задержки производится только один раз. Суть такой возможности в том, что в процессе релаксации светонаве- денных дихроизма и деулучепреломления состояние поляризации пробного импульса изменяется, т.е. принимает различные положения относительно анализатора, тем самым, осуществляя сканирование по углу. После облучения раствора красителя импульсом линейнополяризованного излучения с плотностью энергии, достаточной для просветления раствора (10 - 10 Дж/см2) в нем возникает дихроизм просветления, характеризуемый отношением пропусканий пробного излучения Tii/Tj для компонент поляризации параллельной и перпендику- лярной к поляризации возбуждений, в дву- лучепре-ломление, характеризуемое величиной разности фаз Ф между теми же компонентами. Величины Тц/Тх и Ч зависят от плотности энергии возбуждения и свойств среды,: начального пропускания раствора Т0, степени анизотропии отдельных молекул красителя и т.п., а их релаксация может быть количественно описана с помощью выражений для компонент электрического поля пробного импульса:

-t/T

-t/Гд

Е||вь х Ецвх/Гоехр е . (Ј + ) . Ехвых ЕГ/ГоехР е 1/Г(| + )(1)

где А и В - комплексные числа, t - время задержки пробного импульса по отношению к возбуждению.г - время электронной релаксации, а Тд - время поворотной диффузии молекул красителя. Дихроизм Тн/Тд и двулучепреломление Ч раствора связаны с действительной и мнимой частью величины и в начальный момент (t 0) равны соответственно

Tn/ti- I Е||вых/Е||ВХ I2/I Eieux/Ei /V eB

ft)

5

0

6

0

5

0

5

0

5

Ф - („, In (Ецвых/Е||вх) - In (

3,

ImB

На фиг.1 приведена схема устройства для реализации способа; на фиг.2 - схема поляризаций пробного и возбуждающего импульсов и пропускания анализатора; на фиг.З - качественная временная зависимость соотношения измеряемых сигналов S/Si.

Устройство для реализации способа содержит установленные последовательно на оптической оси рэсщепительную пластинку

I, преобразователь 2 длины волны зондирующего импульса, линию 3 задержки, поляризатор 4, расщепительную пластинку 5,. анализатор 6 и фотодиод 7, На пути отрэ- . женного от расщепительной пластинки 1 импульса помещены поворотное зеркало 8, преобразователь 9 длины волны возбуждающего импульса и фазовая полуволновая пластинка 10, а на пути отраженного от рас- щепительмой пластинки 5 зондирующего импульса помещен фотодиод 11. Между линией 4 задержки и расщепительной пластинкой 5 путь зондирующего импульса III пересекает путь возбуждающего импульса

II, и на месте их пересечения помещается исследуемый образец 12.

Способ измерения включает следующие операции. Линейно поляризованный лазерный импульс 1, длительность которого выбирается не менее чем на порядок, короче времени восстановления исходных свойств среды, т.е. короче времен релаксации дихроизма и двупучепреломления, рас- щепителъной пластинкой 1, делится на две части. Одна часть используется для формирования возбуждающего II, а другая - зондирующего III импульсов. С помощью преобразователей 2 и 9 длины волны выбираются интересующие длины волн возбуждения и зондирования. Используются такие преобразователи 1 и 9, которые не увеличивают длительность импульсов. Исследуемую среду 12 облучают возбуждающим

импульсом II, который наводит в среде 12 дихроизм просветления (или затемнения) и двулучепреломление. Состояние среды 12 анализируют излучением пробного импульса III после возбуждения с временной задержкой t варьируемой от нуля до нескольких времен релаксации дихроизма и двулучепреломления, при помощи регулируемой линии 3 задержки.

Угол между поляризациями возбуждающего и зондирующего импульсов устанавли- вают равным 54,7° с помощью полуволновой фазовой пластинки 10. Величина этого угла может быть выбрана произвольной (кроме 0 и до 90°), однако значение угла 54,7 значительно упрощает формулы для расчета величин дихроизма и двулучепреломления. В этих условиях направление поляризаций делает чувствительным состояние поляризации пробного импульса на выходе из среды 12 к наведенному дихроизму и двулучепреломлению и упрощает рас- четные соотношения. Соотношение пробного импульса, прошедшего через среду 12, анализируют по временной зависимости интенсивности выделенной поляризационной компоненты. Для этого на пути пробного импульса за средой 12 помещен анализатор 6, плоскость пропускания которого повернута по отношению к . направлению скрещенности с поляризатором 4 в сторону плоскости поляризации возбуждающего импульса на угол д (см. с.8). Фотоприемник 7 регистрирует энергию пробного импульса, прошедшего через анализатор 6, а сигнал фотоприемника 11 пропорционален энергии пробного импульса до падения на анализатор 6 и. необходим для нормировки сигнала фотоприемника 7. Отщепление части пробного импульса на фотоприемник 7 осуществляется светодели- тельной пластинкой 5, установленной под углом близким к 90° к оптической оси, чтобы не нарушалось состояние поляризации пробного импульса.

Для более детального раскрытия сущности способа проведем детальный анализ происходящих физических явлений.

Введем углы, характеризующие положение плоскостей поляризации возбуждающего и пробного импульсов и анализатора как показано на фиг.2, где

Евх, Евых - состояния электрического поля пробного импульса на входе и выходе из исследуемого образца;

Ei,BX, Ef. Е„ВЬ1Х ЕхВЬ1Х - параллельные и перпендикулярные к полю возбуждающего импульса ком.поненты поля пробного импульса на входе и выходе из исследуемого образца;

Q - угол поворота главной оси эллипса поля пробного импульса;

р - угол между полями возбуждающего и пробного импульсов на входе в образец; .6- угол расстройки анализатора 6 по отношению к состоянию скрещенности с поляризатором 4.

Тогда на вход в среду 12 для компонент пробного импульса имеем Ецвх EcosBxy Е/х Esin вх# . Поле на выходе из среды описывается математическими выражениями (1). Сигнал, прошедший через анализатор 6,пропорционален

S E7Xsm(V-S)()f-|E6 |2T0exp(ReAe-t f«

x coscf.s ,n(-6)exp(Be-t/fSi/)-rin с, ««{«,-) «ф(-|е:4№- «)«.(3) Сигнал Si пропорционален

МЕГ |ЕГ1 -|Б 1|йТвв р(КеЛе- №). («вве- |} - + 5ina4 exp(-ReBe-t -t 4l. .

(4)

5

0

5

0

0

5

Учитывая, что в растворах красителей величина В не превосходит единицу и можно приближенно считать, что ехр В у 1 + В и выбирая угол р arctg/(обычная процедура при поляризационных измерениях), для отношения сигналов получаем

S/VM- oefc- -t. V,.

/1„6

IS .-W-t

Wm™ ) (5) С учетом (2) последняя зависимость переходит в

.,„ / , к enCTn/Tj

S/V(6,

№

We-t№)4

.f-ЯГ cpeoaSe ),

(6)

где 1/ г 1 /r + 1 /rg При величинах поворота анализатора на угол 0 «5 Re В/f зависимость S/Si от времени задержки имеет характерный вид с (см, фиг.З) с максимумом сразу после возбуждения и минимумом при некоторой задержке. Коль скоро подобная кривая получена экспериментально с исследуемой средой, подгонка ее под выражение (5) позволяет установить величины ReB, lmB и 1/г + 1//гд . а следовательно и вычислить , TH/TJ и р. Такая аппроксимация может быть проведена и не в полном объеме,а по некоторым точкам. Один из способов приводится ниже. Он состоит в использовании величин сигналов в максимуме кривой (5/51)мах и для невозбужденного раствора (S/Si)0 (значения при отрицательных задержках), взятых по отношению к минимальному сигналу (S/Si).

(5/S,). (5/3,1,

a

(5/5,1)

mo

(5/

Iminv-i MimM

Соответствующие значения S/ле (5) составляют:

ISb.) (6/5, tfn«J (SfS,1n,,(b-).

I6|«

Причем минимальное значение(S/Si)min достигается при

гш-ы«,,|Ґ.

|Ы

f.

Для а и b получаем IBI а 1г

°ЧО1

(8) Решение системы (8) относительно ReB и

((еЬ..Т)

.mb.&S(45Trt), (9)

что и решает вопрос о величинах W: Т, IVexp 3( Jtf

I.

Ґi(MВ прототипе для измерения дихроизма и двулучепреломления требуется m - n измерений, где m - число позиций анализатора (т 2), а п - число времен задержки, при которых производятся измерения. В предлагаемом способе число измерений сокращается, поскольку нет необходимости варьировать положение анализатора: оно равно числу времен задержки п. Таким образом выигрыш в производительности измерений составляет m раз, где m 2.

Пример конкретного выполнения.

Исследовались частотные зависимости светонаведенных дихроизма и двулучепреломления этанолового раствора красителя родамин 6Ж. Измерения выполнялись с помощью лазерного спектрометра на основе пикосекундного лазера на фосфатном стекле, генерирующего световые импульсы длительностью (5i 2) пс.

В качестве преобразователя 9 длины волны возбуждающего импульса применялся генератор второй гармоники, а в качестве преобразователя 2 зондирующего импульса - система, состоящая из генератора второй гармоники, параметрического генератора

света и второго генератора второй гармоники, обеспечивающая плавную перестройку

длины волны в области 0,4-0,8 мкм. Перед падением на кювету 12 с исследуемым рэствором зондирующий импульс проходил через линию 3 задержки и поляризатор А. Поляризация возбуждающего импульса при помощи фазовой пластинки 10 поворачивалась так, что составляла угол р : 54,7° с

поляризацией пробного импульса. За кюветой 12 на пути зондирующего импульса установленный анализатор 6 был ориентирован так, чтобы плоскость его пропускания была повернута на угол б : 4° по

отношению скрещенности с поляризатором 4. Этот угол соответствовал примерно половине максимального поворота главной оси эллипса поляризации пробного импульса (фиг.2) и обеспечил регистрацию характерной временной зависимости соотношений S/Si (фиг.З). Регистрировалась- энергия пробного импульса до падения на анализатор 6 и за ним фотодиодами 7 и 11 соответственно, Сканируя при помощи линии 3

задержки через каждые 5 пс, измерялась зависимость соотношения S/Si от времени задержки (фиг.З). При каждой задержке усреднялись результаты десяти выстрелов ; По полученной временной зависимости

(фиг.З) определялись соотношения (S/Si)0, (S/Si)MHH и (5/51)макс, по которым с по-, мощью выражений (9), (8) и (2) определялись величины наведенных дихроизма и двулучепреломления. Проводя серию таких измерений при длинах волн зондирования изменяемых в области полос поглощения м флюоресценции родамина 6Ж в этаноле через каждые 4 нм были определены частотные зависимости указанных параметров.

Установлено, что светонаведенный дихроизм имеет максимум на частоте чисто электронного перехода, а наведенное двулучепреломление имеет отрицательное значение в области полосы флюоресценции,

и положительное - в области полосы поглощения с максимумами вблизи максимумов полос флюоресценции и поглощения соответственно.

Измерения были выполнены за неделю,

а по методу, взятому в качестве прототипа, это заняло бы не менее месяца. Формула изобретения Способ измерения параметров светонаведенных дихроизма и двулучепреломле5 ния, включающий облучение исследуемой среды возбуждающими импульсами линейно поляризованного света, зондирование возбужденной области среды световыми импульсами пробного излучения, регистрацию поляризационных параметров прошедших через среду и анализатор пробных световых импульсов в зависимости от времени задержки пробных импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности измерений, регистрируют временную зависимость выделенной поляризационной компоненты пробных импульсов, а параметры дихроизма и двулу- чепреломления в материале определяют из следующих соотношений:

Wit-ехр {3 /Ttgd- ll ( + ib-1)}

tg4{fr + )

(S/Si)o

( S/Sl )мин

(S/Sl )наке ( S/Si )мин

0

5

0

In - коэффициент пропускания пробного излучения для его поляризации, параллельной поляризации возбуждения;

Tj,- коэффициент пропускания пробного излучения для его поляризации, перпендикулярной к поляризации возбуждения;

Ч - разность фаз для компонент поляризации пробного излучения параллельной и перпендикулярной к поляризации возбуждения;

д - угол расстройки анализатора от положения скрещенности с поляризацией пробного излучения;

(S/Si)o - соотношение энергии пробного излучения перед анализатором и за ним в отсутствии возбуждения;

(S/SI)MHH - соотношение энергии пробного излучения перед анализатором и за ним в минимуме кинетической зависимости;

(S/Si)MaKc - соотношение энергии пробного излучения перед анализатором и за ним в максимуме кинетической зависимости.

s/s

Использование: изобретение относится к нелинейной оптике и может быть использовано для исследования материалов, проявляющих дихроизм просветления и двулучепреломление при .облучении поляризованным светом. Сущность: способ включает облучение исследуемой среды возбуждающими импульсами линейно поляризованного света, зондирование возбужденной области среды пробными световыми импульсами, регистрацию временной зависимости выделенной поляризационной компоненты пробных импульсов и определение параметров дихроизма и двулучепреломления по расчетным выражениям. 3 ил.

О

5%гЗ