Способ определения температурной зависимости оптической активности анизотропных кристаллов и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01N21/21 

Изобретение относится к области оптики и может быть использовано для определения оптических свойств кристаллов, в частности, для определения температурной зависимости оптической активности анизотропных кристаллов при фазовых переходах.

Целью изобретения является повышение точности определения температурной зависимости оптической активности анизотропных кристаллов.

Поставленная цель достигается тем, что в способ определения температурной зависимости оптической активности анизотроп- ных кристаллов, путем поляризации монохроматического светового луча, электрический вектор которого параллельный к одной из кристаллографических осей исследуемого образца, модулирования с поляризационным модулятором, анализирования скрещенным с поляризатором анализатором, измерения интенсивности света первой и второй гармоники, деления сигнала интенсивности света первой гармоники на сигнал интенсивности света второй гармоники, измерения температуры исследуемого образца и изменения ее значения, дополнительно одновременно поворачивают поляризатор и анализатор на 45°, записывают сигнал пропорциональный двулучепреломлению Дп , когда главная плоскость поляризатора с кристаллографической осью кристалла составляет 45° и сигнал пропорциональный (Gsin2 С Дп)/(n Дп) где G - коэффициент оптической активности, п - средний показатель преломления, С

-г- - константа (d - толщина образцаЛ длина волны), когда главная плоскость поляризатора параллельна с кристаллографической осью кристалла, преобразуют сигнал, пропорциональный Дп в сигнал пропорциональный 1 / (sin2 С Дп) перемножают сигналы пропорциональные Дп , (G sin2 С Дп)/(п А,), 1 / (sin2 С До) и по ходу изменения температуры о преде л я ют температурную зависимость величины пропорциональной оптической активности S(T) анизотропных кристаллов.

Поставленная цель достигается также тем, что в устройство для определения температурной зависимости оптической активности анизотропных кристаллов содержащее источник монохроматического света, расположенных по пути светового луча поляризатор, криостат с датчиком температуры, поляризационный модулятор, анализатор скрещенный с поляризатором и фотодетектор, синхронный детектор детек0

тирующий сигнал первой гармоники и синхронный детектор детектирующий сигнал второй гармоники, входы которых подключены к выходу фотодетектора, задающий генератор с выводами опорных сигналов первой и второй гармоник, выход которого подключен к поляризационному модулятору, а опорные сигналы к синхронным детекторам, делитель напряжений, входы которого соединены с выходами синхронных детекторов и регистрирующий прибор, в него введены: механизм одновременного поворота анализатора и поляризатора на

45°, блок выборки-хранения сигнала пропорционального Дп , вход которого соединен с выходом делителя напряжений, блок выборки-хранения сигнала пропорционального (G sin С Дп)/(п Дп), вход которого соеп динен с выходом делителя напряжения, блок преобразования сигнала пропорционального Дп в сигнал пропорциональный 1 /(sin2 С Дп), вход которого соединен с блоком выборки-хранения сигнала пропорцио5 нального Дп, блок перемножения трех напряжений, первый вход которого соединен с выходом блока выборки-хранения сигнала пропорционального Дп, второй вход - с выходом блока выборки-хранения сигнала

о пропорционального (G sin2 С Дп)/(п Дп), третий вход - с выходом блока преобразования сигнала пропорционального Дп в сигнал пропорциональный 1/(sin2 С Дп), а выход к одному входу регистрирующего прибора,

5 Другой вход которого соединен с датчиком температуры.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое изобретение отличается наличием новых признаков

0 способа: поворачивают механизм одновременного поворота поляризатора и анализатора на 45°, записывают сигнал пропорциональный Дп, когда главная плоскость поляризатора с кристаллографиче5 ской осью кристалла составляет 45° и сигнал пропорциональный (G sin2 С Дп)/(п Дп), когда главная плоскость поляризатора параллельна с кристаллографической осью кристалла, преобразуют

0 сигнал пропорциональный Дп в сигнал пропорциональный 1/(sln С Дп). перемножают сигналы пропорциональные Дп , (G sin2 Cx Дп)/(п Дп), 1 /(sin2 С До) и по ходу изменения температуры определяют температурную

5 зависимость оптической активности G(T) кристаллов, а также наличием новых признаков устройства: механизма одновременного поворота поляризатора и анализатора, блока выборки-хранения сигнала пропорционального Дп, блоко выборки-хранения

сигнала пропорционального (G sin О Дп)/(л До), блока преобразования сигнала пропорционального Дп в сигнал пропорциональный 1 /(sin2 С Дп) перемножителя трех напряжений.

На фиг. 1 изображена схема устройства изобретения.

На фиг.2 изображены температурные зависимости сигналов: Дп f(T) (фиг.2а). Iw/l2w f(T) (фиг.2б). G f(T) (фиг.2в) для кристалла ТГС около температуры фазового перехода Тс 49.6°С.

Устройство содержит источник 1 монохроматического света, поляризатор 2, поляризационный модулятор 3, криостат 4, датчик 5 температуры, анализатор 6, фотодетектор 7, синхронный детектор 8, детектирующий первую гармонику сигнала, синхронный детектор 9, детектирующий вторую гармонику сигнала, делитель 10 напряжений, задающий генератор 11, механизм 12 одновременного поворота поляризатора 2 и анализатора 6, блок 13 выборки-хранения сигнала пропорционального Дп, блок 14 выборки-хранения сигнала пропорционального (G sin2 С Дл)/(п Дп) блок 15 преобразования сигнала пропорционального Дп в сигнал пропорциональный 1/(sin2 С Дп), перемножитель 16 трех напряжений, регистрирующий прибор 17.

На пути светового луча от источника 1 монохроматического света, падающего на фотодетёктор 7, расположен поляризатор 2, поляризационный модулятор 3, криостат 4 с датчиком 5 температуры и анализатор 6 скрещенный с поляризатором 2.

Вход синхронного детектора 8 детектирующего сигнал первой гармоники и вход синхронного детектора 9, детектирующий сигнал второй гармоники соединен с выходом фотодетектора 7. Входы делителя 10 напряжений соединены с входом синхронного детектора 8 и с выходом синхронного детектора 9. Выходы задающего генератора 11 соединены с поляризационным модулятором 3-й с входами опорных сигналов синхронных детекторов 8 и 9. Механизм 12 с блоком управления поворота поляризатора 2 и анализатора 6 механически соединен с поляризатором 2 и анализатором 6. Вход блока 13 выборки-хранения сигнала, пропорционального До с выходом делителя 10 напряжений и вход управления блока 13 соединен с одним из выходов блока 12 управления с механизмом поворота поляризатора и анализатора. Вход блока 14 выборки-хранения сигнала пропорционального sin С Дп)/(п Дп) с выходом делителя 10 напряжений и вход управления блока 14

соединен с вторым входом блока 12 управления с механизмом поворота поляризатора и анализатора. Вход блока 15 преобразования сигнала пропорционального Дп в сигнал пропорциональный 1/(sln2 С Дп) соединен с выходом блока 13 выборки-хранения. Входы перемножителя 16 трех напряжений соединены с выходом блока 15 преобразования, выходом блока 13 выборки-хранения и с выходом блока 14 выборки-хранения. Один из входов (например Y) регистрирующего прибора 17 соединен с выходом перемножителя 16 трех напряжений, а второй вход (например X) с датчиком 5 температуры.

Исследуемый образец 18 расположен в криостате 4 на пути модулированного с поляризационным модулятором, монохроматического светового луча так, чтобы кристаллографическая ось кристалла была параллельной главной плоскости поляризации при изменении сигнала пропорционального (G sin2 С Дп)/(п Дп).

Устройство работает следующим образом. Монохроматический свет источника 1 света поляризуется поляризатором 2, модулируется с поляризационным модулятором 3, проходит исследуемый образец 19, анализируется анализатором 6 и регистрируется фотодетектором 7. Сигнал от фотодетектора 7 преобразуется синхронным детектором 8, детектирующим первую гармонику I w и синхронным детектором 9, детектирующем вторую гармонику-сигнала 12w. Делителем 10 напряжений делится сигнал первой гармоники на сигнал второй гармоники.

Механизм 12 устанавливает поляризатор 2 в такое положение (I положение), когда главная плоскость поляризации 0 повернута на 45° к кристаллографической оси исследуемого образца (одновременно поворачивается и анализатор 6, чтобы оста- вался скрещенным с поляризатором 2) и сигнал lw/l 2w от делителя 10 напряжений записывается в блоке 13 выборки-хранения. Сигнал i w/l 2w пропорциональный 1/(sin2 С Дп). Сигнал, поступающий от 13 в 15, преобразуется в блоке 15 в сигнал пропорциональный Дп. Механизм 12 устанавливает поляризатор 2 в такое положение (II положение), когда главная плоскость поляризатора параллельна к кристаллографической оси исследуемого образца (одновременно поворачивается и анализатор 6 так, чтобы оставался скрещенным с поляризатором 2 и сигнал от делителя 10 напряжений I w/r2w записывается в блоке 14 выборки-хранения. В этом случае сигнал rw/l 2w пропорциональный (G sin

0

5

0

5

0

5

5

0

5

C Л0/(п Дп). Сигналы от блока 13 выборки- хранения пропорциональный Дл, от блока 14 выборки-хранения пропорциональный (G sin2 С Дп)/(л Дп) и от блока 15 преобразования пропорциональный 1/(sln2 С Дп) пере- множаются в перемножитель 16 трех напряжений. Сигнал пропорциональный оптической активности G (точнее пропорциональный G/n) регистрируется одним из входов (Y) регистрируемого прибора 17. Вторым входом (X) регистрируется сигнал от датчика 5 термопары. Таким образом, меняя температуру в криостате 4 определяется температурная зависимость оптической активности исследуемого образца 17.

В прототипе измеряется G - f(An, Т). Поэтому для определения G f(T) нужно определить на другом приборе зависимость Дп f(T)jчто снижает точность определения G f(T)- В.разработанном нами устройстве динамическим способом одновременно измеряются G - f( Дп, Т) и До f(T), а после обработки данных из G f( Дп,Т) исключается Д-i f(T). Таким способом в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом повышается точность определения зависимости G f(T). В области температур фазовых переходов, где Дп/ДТ увеличивается, точность определения G(T), по сравнению с прототипом повышается. В температурных областях более далеких от фазовых переходов повышение точности незначительное. Предлагаемое устройство способствует изучению с достаточной точностью оптических характеристик кристаллов с фазовыми переходами , что дает технико-экономический эффект.

Формула изобретения 1. Способ определения температурной зависимости оптической активности анизотропных кристаллов путем поляризации монохроматического светового луча, электрический вектор которого параллелен с одной из кристаллографических осей исследуемого образца, модулирования поляризационным модулятором, анализирования скрещенным с поляризатором анализатором, измерения интенсивности света первой и. второй гармоник, давления сигнала интенсивности света первой гармоники на сигнал интенсивности света второй гармоники, измерения температуры исследуемого образца, о тли чающийся тем, что, с целью повышения точности, одновре- менно поворачивают поляризатор и анализатор на 45°, записывают сигнал, пропорциональный двулучепреломлению Дп , для случая, когда глаЕная плоскость поляризатора с кристаллографической

осью кристалла составляет 45°, и сигнал, пропорциональный (G sin2 С Дп)/(п Дп), где G - коэффициент оптической активности, п - средний показатель преломления, С jrd/A , d - толщина образца, А - длина волны, для случая, когда главная плоскость поляризатора параллельна кристаллографической оси кристалла, преобразуют сигнал, пропорциональный Дп,в сигнал, пропорциональный 1/(sln2C Дп), перемножают сигналы, пропорциональные Дп,(С sin2 С Дп)/(п Дп). 1 /(sin С Дп), и по ходу изменения температуры определяют температурную зависимость величины, пропорциональной оптической активности G(T) анизотропных кристаллов.

2. Устройство для определения температурной зависимости оптической активности анизотропных кристаллов, содержащее источник монохроматического излучения, оптически связанные поляризатор, поляризационный модулятор, криостат с датчиком температуры, анализатор, скрещенный с поляризатором, и фотодетектор, а также синхронный детектор сигнала первой гармоники и синхронный детектор сигнала второй гармоники, входы которых подключены к выходу фотодетектора, задающий генератор, выход которого подключен к поляризационному модулятору, а входы соединены с синхронными детекторами, дели- телЬ напряжений, входы которого соединены с выходами синхронных детекторов и регистрирующий прибор, отличающееся тем, что. с целью повышения точности, в него введены механизм одновременного поворота анализатора и поляризатора на 45°, блок выборки-хранения сигнала, пропорционального Дп, вход которого соединен с выходом делителя напряжений, блок выборки-хранения сигнала, пропорционального (G sin2 С Дп)/(п Дп) вход которого соединен с выходом делителя напряжений, блок преобразования сигнала, пропорционального Дп, в сигнал, пропорциональный 1/(sin2 С Дп), вход которого соединен с блоком выборки-хранения сигнала, пропорционального Дп, блок перемножения трех напряжений, первый вход которого соединен с выходом блока выборки-хранения сигнала, пропорционального До, второй вход - с выходом блока выборки- хранения сигнала, пропорционального (G sin2 С Дп)/(п Дп), третий вход - с выходом блока преобразования сигнала, пропорционального Дп, в сигнал, пропорциональный 1/(stn2 С Дп), а выход к одному входу регистрирующего прибора,

другой вход которого соединен с датчиком температуры, причем механизм одновременного поворота анализатора и поляризатора соединен с блоком выборки

хранения сигнала Ai и блоком выборки хранения сигнала (G sin2 С An)/(n An).

Использование: оптика. Сущность: монохроматический свет источника 1 света поляризуется поляризатором 2, модулируется с поляризационным модулятором 3, проходит исследуемый образец 19, анализируется анализатором 6 и регистрируется фотодетектором 7. Сигнал от фотодетектора 7 преобразуется синхронным детектором 8, детектирующим первую гармонику I w и синхронным детектором 9, детектирующим вторую гармонику l 2w. Делителем 10 напряжений делится сигнал первой гармоники на сигнал второй гармоники. Механизм 12 установления поляризатора 2 устанавливает поляризатор в положение, когда главная плоскость поляризации повернута на 45° к кристаллографической оси исследуемого образца, что соответствует сигналу на выходе делителя 10 напряжений пропорционального величине (G sin С Дп) / (ft An) или в положении при 0°, что соответствует сигналу пропорционального величине Дп. С помощью блоков 13 и 14 выборки -хранения, блока 15 преобразования сигнала пропорционального Дп в сигнал, пропорциональный 1/(sin Дп ) и перемножителя 16 трех напряжений, получим сигнал на входе У регистрирующего прибора 17 сигнал, пропорциональный оптической активности G. Изменение температуры фиксируется X входом. ,4 оо Сл) СЛ I Фиг.1

Дп,

Ju)/Jzi

2ш