Устройство для определения оптической толщины изотопных сред Советский патент 1974 года по МПК H01S3/00 G01G1/00 

1

Изобретение относится к приборйм для проведения метрологических измерений онти ko-физических параметров различных изотрониых объектов. Оно может пайти широкое применение при измерении коэффициентов поглощения и усилеиия слабопоглощаюо;их и усиливающих сред и в различных областях использования лазерной техники.

Известны различные схемы измерения коэффициентов поглощения веществ, в которых для повышения чувствительности измерений используются многоходовые кюветы и высокостабилизироваииые источникн излучения. Такие устройства имеют сложную схему, не позволяют достичь большого времеиного разрешения и проводить определение коэффициентов усиления и измерения с самосветящимися объектами.

Известны также устройства для нзмерения внутренних потерь в ОКГ, примеиеннс которых ограничивается только для генерирующих сред и возможно лишь в узком спектральном интервале частот.

Целью изобретепия является универсализация измерительного устройства, получение возможности проведения измерений параметров широкого класса изотропных веществ, как самосветящихся, так и несамосветящихся, причем с высоким быстродействием, чувствительностью и точностью анализа в ншроком интервале частот спектра.

Цель изобретения достигается за счет применеиия в устройстве открытого оптического резонатора с расположеппыми внутри него исследуемой средой и элементами, вносящими различные потери в компоненты поляризации излучения, а на выходе - спектрального прибора с иризмой Волластона для измерения

отношения интенсивностей спектральпой лнпии в двух поляризациях.

Оптическая схема нредлагпемого устройства представлена на чертеже, где: 1 - источник из.учспня; 2 - система формирования параллельиого пучка света; 3 - зеркала откр1 того резонатора; 4 - объем с нсследуемоп средой; 5 - поляризующие элементы; 6 - систеУ:Я освеидения спектральпого прибора; 7-призл а Волластона; 8 - спектральный прибор; 9 -

щель снектрального прнбора; 10 - диафрагма спектрального прибора.

Принцип работы устройства заключается в следующем.

При исследовании иесамосветящихся и самосветящихся объектов, область спектра свечения которых не перекрывает области исследуемого спектра, свет от системы излучении параллельным пучком направляется в открытый оптический резонатор, проходит через

объем с исследуемой средой и элементы поляризации и, попеременно отражаясь внутри резонатора от зеркал 3, выходит наружу, где направляется системой освещения 6 через призму Волластона 7, разделяющую пространсгвенно две взаимно перпендикулярные составляющие компонент поляризации, на щель 9 спектрального прибора 8.

При исследовании самосветящихся сред в области спектра их свечения устройство работает аналогичным образом, только в этом случае нет необходимости в использовании внешнего источника излучения.

Для нормальной работы устройства необходимо, чтобы внешний источник излучения излучал плоско- или линейно поляризоваппое излучение.

Во втором случае он должен располагаться так, чтобы направление вектора его поляризации составляло угол 45° с направлениями векторов поляризации поляризующих элементов 5. Расположение призмы Волластона, щели спектрального прибора также должно быть согласовано с направляющими векторов поляризации поляризующих элементов.

Прохождение излучения через оптический резонатор с элементами поляризации, вносящими различные потери в интенсивности излучения для различных поляризаций, приводит к тому, что интенсивность выходящего из резонтора светового потока для различных компонент поляризации становится различной и зависит от оптической плотности исследуемой среды, постоянных прибора (деполяризации источника излучеиия 1, оптических элементов схемы 2, 6, 9, коэффициента, отражения зеркал 3, резонатора и коэффициента пропускания компонент различной поляризации элементами 5). Таким образом, производя измерение интенсивности двух компонент поляризации после спектрального прибора можно определить оптическую толщину или . плотность исследуемой изотропной среды.

В общем случае расчетное соотношение для определения оптической толщины слоя

1Д - Т|

/(/. (Г.-гт)

(1),

где К - коэффициент поглощения (усиление) среды; / - длипа исследуемой среды; х - оптическая толщина слоя; А - отношение иитеисивностей двух компонент поляризации после прохождения спектрального прибора; TI пропускание элемента поляризации 5 для одного направления поляризации; Г - постоянная устройства, зависящая от деполяризующих свойств источника и элементов схемы, соотношения пропускаиий различных поляризаций поляризатором, коэффициента отражения зеркал R.

Постоянная Г может быть определена простым путем, в начале измерений, когда из резонатора удаляется исследуемая среда и производится измерение начального отнощения иитенсивностей компонент поляризации До, а

4

.г - (2)

:io- Т;

При использовании в качестве поляризующих элементов плоскопараллельных изотроппых пластин, уста ювлеиных в резонаторе под углом Брюстера, упрощается юстировка устройства, отпадает необходимость первоначального определения постоянной прибора, снижается время на проведение расчетов.

Для таких элементов поляризации расчетное соотношение для схемы, изображенной на фиг. 1, а, для самосветящихся и несамосветящихся сред одинаково:

К1 Л- |ln (R ()

где т - пропускание поляризации, .часть излучения которой отражается пластиной.

Для схемы на фиг. 1, б расчетное соотнощение отличается и для сред несамосветящихся, оно совпадает с соотношением (3), а для самосветящихся приобретает более сложный вид:

2т2КД

1п

К(т--Ы) {Л-1)2 + 2т2(А+1)2

. (A-I) (1-т2) (4)

При использовании наклонных пластин диафрагма 10 спектрального прибора 8 примепяется для выделения только одиого типа собственных колебаний резонатора.

Таким образом, устройство для определения параметров изотропных сред позволяет при известных коэффициентах пропускания т и отражения R определять простым путем оптическую толщину слоя X, а при известном / - и коэффициент поглощения среды /С.

Кроме того, при использовании источника излучения и элементов, не имеющих деполяризации, схема устройства позволяет определить и значение одного из расчетных параметров (т или R) в начале проведения измерений, если один из этих параметров измерен какимлибо другим способом.

Такая гибкость устройства дает большие преимущества в его использовании в метрологии прозрачных, слабопоглощающих, поглощающих и усиливающих сред. Расчет показывает, что с помощью такого устройства можно измерять следующие коэффициенты оптических толщин и коэффициенты поглощения и усиления веществ.

Для несамосветящихся сред X от 2,5 до

/(от350см-до2-Ю- см-. Для самосветящихся сред X от 7 до 10 , /С от 70 см- до 10-« см-.

Точность измерений для различных интервалов измеряемых параметров и областей спектра колеблется от 0,5 до 20%.

Приведеные расчеты справедливы для толщины исследуемых сред в пределах от 10до 10 см.

Предмет изобретения

1. Устройство для определения оптической толщины изотропных сред, содержащее широкополосный источник излучения с системой формирования параллельного пучка света, открытый оптический резонатор, с размещенной внутри него исследуемой средой, призму Волластона и спектрограф, отличающееся теы, что, с целью определения положительной и отрицательной оптической толщин, как самосветящихся, так и несамосветящихся сред в широком диапазоне спектра, повышения быстродействия, чувствительности и точности измерений, в резонаторе расположен, по крайней мере, один поляризующий элемент с различными величинами пропускания взаимно перпендикулярных компонент поляризации излучения, а перед резонатором установлен источник плоскополяризованного излучения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что указанный поляризующий элемент выполнен в виде изотропной плоско-параллельной пластины, устанавливаемой в резонаторе под углом Брюстера.

Х/УТ-

Hx-V-V-x jX- А - AT.ХХл/./- .-- -У ч/уС

9 /г-i

2 3

в i(J