Устройство для диагностики оптических активных сред Советский патент 1976 года по МПК G01B9/02 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СРЕД

Изобретение относится к области физической оптики, квантовой радиозпектроники и радиотехники и предназначено для высокочувствительного и прецизионного анализа оптической активности малоактивных сред, а также для получения количественной оценки малых приращений величины оптической активности веществ под действием различных возмущений преимущественно при проведении научно-экспериментальных лабораторных исследований.

Удельное вращение плоскости поляризации линейно-полярвзсжанного света в различных оптически прозрачных средах измеряют различными методами.

Для этих измерений служат поляриметры и сахариметры, содержащие последовательно установленные поляризатор, кювету с исследуемой жидкостью (например, раствором сахара, камфоры, кокаина, HvmoTmia и т.д.), вращающийся вдоль оптической оси прибора анализатор и отсчетное угломерное устройство. Для повышения точности отсчета угла вращения применяют устройства типа бикварца. Так, разработан ряд приспособлений, с

помощью которых наблюдатель видит поле зрения сахариметра разделенным на две равные части. При правильной установке анализатора обе половины поля зрения равную освещенность. Устройство такого рода состоит из призмы Николя с удаленной центральной частью Е виде клина (призма Корню); обе половинки соединяют вместе, их главные плсх;костн составляют малый угол, называемый полутеневым углом. Если пучок поляризованного света падает на эту призхуу таким образом, что плоскость поляризации делит пополам полу теневой угол, то обе половинки поля зрения будут освещены одинаково. Человеческий глаз очень чувствителен к небольщим различиям в освещенности двух рядом расположенных полей, если их освещенность не очень мала. Если равенство освещенное тей полей сахариметра достигается путем совмещения биссектрисы полутеневого угла с плоскостью поляризации падающего на призму света, то поворот призмы на половину полутеневого угла от этого положения приводит к полному затемнению одной из половин поля. Таким образом, поворот призмы

на малый угол вызывает очень большие изменения в относигельной освещенносги двух полей, и следовательно, можно достичь увеличения точности измерений,

Дальнейшее совершенствование приборов такого рода осуществляют, путем использс ° вания дифференциальных фотометров, регист{3ирующих различия в освещенностях полей сахариметра. Для автоматизации процесса измерения удельного вращения ис1тользук)т фарадеевские вращатели, служащие для модуляции угла вращения плоскости поляризации под действием приложенного к ячейке Фарадея переменного (магнитного поля от источника переменного опорного напряжения, При этом на выходе дифференциального фо тометра возникает переменное напряжение, амплитуда и начальная фаза которого несет информацию об отклонении анализатора от его углового положения, соответствующего точному отсчету. Для анализа этого отклонения применяют фазочувствительный выпрямитель, на входы которого подают опорное напряжение и сигнал с выхода дифференциального фотометра. При этом на выходе та- кого фазочувствительного выпрямителя образуетсй постоянное напряжение, величина которого пропорциональна величине отклонения анализатора от его истинного положения а знак указывает на направление углового отклонения. С помощью следящей системы (усилителя постоянного тока, сервомотора и редуктора с люфтовыбирающими приспособ лениями) можно автоматически осуществлять установку анализатора под действием сигна.ла с выхода фазочувствигельного выпрямителя, а отсчет производить по шкале прибора, связанной с корпусом анализатора.

Погрещность измерения угла вращения описанным методом складывается из погрешностей различных звеньев прибора: разноканальности дифференциального фотометра, дрейфа нуля в усилителе постоянного тока, люфра в редукторе, момента трения у сервомотора, погрешности отсчета по шкале и неста- бильности питающих источников. Кроме того, дисперсионные явления исключают работу прибора при использовании немонохроматических источников. Проведенные исследования влияния ширины и распределения спектра источника cBeta, аппаратной функции монохроматора и вращательной дисперсии исследуемого образца на результат измерения угла врашения плоскости поляризации для трех методов объективной поляриметрии - метода пол ного гащения, метода симметричного угла и метода полутеневого угла - показатели, что современныефотоэлектронные спектрополяриметры обладают чувств и 1-ольиостью порядка

нескольких десятичных долей кругоаого градуса. Точность соответствующих измерений не превосходив 1%.

Указанные значения чувствительности и точности современных поляриметрических приборов в значительной мере не удовлетво ряют потребностям современного физического научного эксперимента, ставящего своей целью исследование эффектов взаимодействия электромагнитного поля света с еществом, оптическая активность которого подвергается изменению действием на вещество физических факторов различного происхождения (например, при исследовании вращательного электродинамического эффекта).

Целью изобретения является повышение чувствительности и точности измерений оп тической активности в малоактивных средах, обнаружение и измерение малых измерений оптической активности, возникающих под действием различного рода возмущений среды, а также долговременное запоминание получаемой информации.

Это достигается тем, что в рредлагаемом устройстве выход квантового рециркулятора, образованного кольцевым включенн ем полупрозрачного отражателя, компенсационного элемента, исследуемой среды, оптического квантового усилителя, системы зеркал и оптической линии задержки, связан с источником пробного линейно поляризованного импульсного пучка когерентного света, а выход - с блоком анализа времяполяризационной характеристики квантового рециркулятора.

I...

Устройство отличается также тем, что в нем блок анализа (время-поляризационной характеристики квантового рециркулятора содержит два фотоэлектронных преобразователя и широкополосное двухдорожечное устройство магнитной записи; вход первого фотоэлектронного преобразователя связан с выходом квантового рециркулятора непосредственно, а вход второго - через анализатор поляризации; выход первого фотоэлектронного преобразователя подключен на вход первой дорожки устройства магнитной записи и на один из входов схемы совпадений, а выход второго фотоэлектронного преобразователя подключен через пороговую схему па другой вход схемы совпадений причем выход последней подключен на вход второй дорожки устройства магнитной записи.

Кроме того, предлагаемое устройство о-рличается тем, что в нем анализатор поляризации представляет собой преобразованный интерферометр Майкальсона, настроенный пп гашение света в центре интер4)еренциониой картины, в оптических ветвях которого усгпновлены поляризационные элементы, например призмы Николя, главные плоскости по; ляризадии которых повернуты относительно : главной плоскости поляризатора источника j пробного линейно-поляризованного импульсЦного пучка когерентного света на углы 4 5° соответственно д аправлениях правого и левЬго кругов.На чертехсе изображена блок-схема предлагаемого устройства. Устройство состоит из трех взаимно свя занных частей: квантового рециркулягора с исследуемой средой, источника пробного ли- нейно-поляриаованного импульсного пучка когерентного света и блока анализа времяполяризационной характеристики квантового рециркулятора с долговременным запоминающим устройством. Квантовый рециркулятор содержит соединенные оптически в петлю обратной связи полупрозрачный отражатель 1 с большим ко эффициентом отражения и малым пропусканием, компенсационный элемент 2, исследуемую среду 3 (кювета с исследуемой жидкостью, газом или образец твердого тела) с источником стороннего возмущения 4, оптический квантовый усилитель 5 с источником накачки 6 непрерывного действия, зеркало 7 и оптическую линию задержки 8, образованную удаленными от основной части квантового рециркулятора зеркалами 9 и 1О Оптически ортогональные вход и выход кван тового рециркулятора образованы полупрозрачным отражателем 1. Источник пробного линейно-поляризованного импульсного пучка когерентного света состоит из оптического квантового генератора и режиме модулированной добротности (на основе вращающейся призмы), активного или пассивного затворов 11с источником накачки 12 и поляризатора 13. Источник вырабатывает одиночный импульс света, длительность которого существенно мень ше времени запаздывания в цепи обратной .связи квантового рециркулятора, Блок анализа время-поляризационной харак теристики квантового рециркулятора содержит два фотоэлектронных преобразователя 14 и 15 например фотоэлектронных умножителя, перный из которых оптически связан через частично отражающую наклонно установле П1ую прозрачную пластинку 16 с выходом кван тового рециркулятора, а второй связан с ;квант)вым роциркулятором через анализатор поляризации. Последний представляет собой интерферометр Майкельсо ш, собранный на полупрозрачном зеркале 17 с равными коэ(|зфициентами отражения и пропускания, зеркалах 18 и 19, компенсирующей пластине 20 и диафрагме 21, ограничивающей поле ин- терференционной картины вн ее центргу причем в оптических ветвях интерферометра установлены поляризационные элементы, например призмы Николя или дихроическиепленки 22 и 23, главные плоскости поляризации которых развернуты относительно главной плоскости поляризатора 13 на углы 45° соответственно в направлении правого и лево- го кругсе. Кроме того, блок анализу включает соединенную с выходом фотоэлектронного преобразователя 15 пороговую схему 24 (ограничитель по минимуму), схему совпадений 25, первый вход которой подключен к выходу пороговой схемы, и широкополосное двухдорожечное устройство магнитной записи 26 (видеомагнитофон), первый записывающий вход которого подключен к выходу первого фотоэлектронного преобразователя 14 и является каналом меток времени (синхроимпульсов), а второй записывак ший вход связан с выходом схемы совпадений и является каналом меток периодически следующих время-поляржзанионных групп импульсов. Для начальной настройки прибора используется малопрозрачный экран 27, ослабляк щий интенсивность светового потока с выхода квантового рециркулятора. При этом производится настройка анализатора поляризации по однократным импульсам оптического квантового генератора, непосредственно отражаемым от полупрозрачного отражателя 1 квантового рециркулятора. Устройство работает следующим образом. Пусть при определенной ситуации выхода источника пробного линейно поляризованного импульсного когерентного света возникает короткий цуг волн длительностью t j , плоскость поляризации которого определяется поляризатором 13 и обозначается углом Ф Большая часть энергии светового импульса отражается от полупрозрачного этражателя 1 в сторону блока анализа время-поляриза- : ционной характеристики квантового рецирку- лятора и после воздействия на фотоэлектронный преобразователь 14 приводит к соответствующей исходной отметке времени на первой магнитной дорожке видеомагнитофона 26. Меньщая часть энергии пробного им- пульса проходит через полупрозрачный oipaжатель 1 с малым пропусканием, при этом цуг волн пробного импул1х:а многократно ободит контур петли обратной связи квантового рециркулятора, зондируя всякий раз помещенную в последнем исследуемую оптически активную среду. В отсутствие оптического вантового усилителя 5 в co.:rai3e квантового рециркуляторл потери циркулируюиюго в нем цуга волн ка поглощение и исслоду мий реде, оптичс.чжой линийзодор/кки, компснcauacHHOM элементе, на частичную расходимость луча, на отражение в зеркалах и на частичное пропускание полупрозрачного отражателя 1 привели бы к быстрому затуханию цуга, а число актов взаимодействия пробного пучска света с исследуемой средой было бы невелико. Поэтому для компенсации всех указанных потерь применяе-тся оптический квантовый усилитель 5 непрерывного действия, настроенный на частоту несущих колебаний пробного импульса света. Коэффициент усиления в оптическом усилителе 5 может быть взят большим обратной величины коэффициента передачи кван тового редиркулятора в отсутствие усилител Это приведет к стабилизации уровня циркули рующего в редиркуляторе цуга. Для того, чтобы цуг волн воздействовал на оптический квантовый усилитель всякий раз как отдельный импульс, необходимо выбрать время задержки в оптической линии задержки 8 много большим длительности пробного импульса T uatj,. При этом в рециркуляторе будут от сутствовать явления наложения световых потеков, в паузах между импульсами циркулядни состояние оптического квантового усилителя будет восстанавливаться до исходного, а сам рециркулятор будет работать в жестком режиме возбуждения. Восстановление свойств оптического кван гового усилителя в паузах между смежными импульсами света необходимо, в частности, для реализации фундаментального свойства квантовых систем-сохранения состояния по ляризации в выходном световом (усиленном) потоке по сравнению с состоянием поляризации светового сигнала, поданного на вход квантового усилителя. Нетрудно понять, что вращение плоскости поляризации света в исследуемой оптически актианой среде 3 приведет к дискретным пе- пиодическим сдвигам (в одном и том же направлении) плоскости поляризации в циркулирующем импульсном световом потоке Так, если при однократном прохождении линейно поляризованного светового импульса с исходной плоскостью поляризации через исследуемую среду 3 плоскость поляризации вышедшего из этой среды света поворачивается на малый угол oL , то при учете, что за каждый акт циркуляции на выходе кван тового рециркулятора с выхода полупрозрачного отражателя 1 возникает импульс света, состоя ше поляризации указанной выходной светоимпульсной последовательности описыйаотся очевидной дискретной по времени функ f LcC) L , 1, 2..,, ii - номер циркуляции I t - текущее время; tr - период следования выходных импульсов рециркулятора, равный времени задержки в оптической линии 8 (учитывающей задержку во всей петле рециркулятора); знак плюс или минус определяю тся направлением вращения плоскости поляризации света в исследуемой среде 3; символ Erit означает целую часть от аргумента Следовательно, на выходе квантового рециркулятора при подаче на его вход однократного пробного линейно поляризационного импульса образуется периодическая последовательность квазистационарных импул1гсов света с дискретно и монотонно изменякяцейся поляризацией. Каждый из этих импульсов вызывает соответствующие временные отметки на первой записывающей дорожке устройства магнитной записи 26 после воздействия на фотоэлектронный преобразователь 14. Поскольку первый импульс записи при t 0 ( i 0) поступает на фотоэлектронный преобразователь 14 непосредственно от источника пробного пульса, претерпев одно отражение от хорощо отражающего полупрозрачного отражателя 1, то он $шляется более мощным, чем импульсы рюциркуля- ции (для i 1, 2, 3). Это обеспечивает надежную привязку за описываемой на второй дорохже (синхронно) полезной информации о величине оптической активности исследуемой среды к моменту времени, соответствующему началу отсчета ( t О). Основная доля энергии последсжательности выходных световых импульсе квантового рециркулягора воздействует на фотоэлектронный преобразователь 15 через анализатор поляризации. Для увеличения крутизны характеристики непропускания анализатора поляризации вблизи углов поляризации подающего света, соответствующих гашению света на выходе анализатора поляризации, схема последнего построена на базе преобразованного интерферометра Майкельсона, в оптических ветвях которого установлены поляризационные элементы (например, призмы Николя) 22 и 23, главные плоскости поляризации которых характеризуются соответственно углами ТС It и ф Р 4 41 4 OZ О 4. Киколя являются при этом скрещенными одна по отношению к другой. При разности хода интерферирующих лучей А , составляющей нечетное число полуволн световых колебаний Д- (2К+1), где К О,1,2... целое число; ° V - частота несущих колебаний света, интенсивность потока в центре интерференционной картины, выде- ляемой с помощью диафрагмы 21, может быть найдена из выражения Эв«т ., где Э - коэффициент потерь интенсивность света на выходе квантового редиркулятора для 1-ой циркулядии. Полагая фотоэлектронный преобразователь линейным, на выходе будем иметь посхюдовательность электрических импульсов длительностью t (без учета явоюний дисперсии в квантовом рециркуляторе ) , с периодом следования Т и амплитудой, изменяющейся по закону О; YCt)U uin iZoCE tt-3i, где Но - наибольшая амплитуда в импульсной последовательности i 1,2,3...; V(t) функция определений амплитуд импульсов в выходной последовательности фотоэлектрон ного преобразоваа еля 15, определяемая npt цессами установления квазистационарного режима в квантовом рациркуляторе (для ста ционарного процесса функция . Y tt) - постоянный мнонсителъ). ь тек - Так, UL О , -п Сif -где Ks 0,1,2... N, причем Ы +1 - полное число нулевых отметок на выходе фотоэлектронного преобразователя 15 за время анвглиза A-tsnt циркулирующего светоимпульс ного потока с монотонно-ступенчатым изменением угла плоскости поляризации, а величина л - число циркуляции пробного импульса в квантовом рециркуляторе. Определение искомого угла вращения oL плоскости поляризации света при одн«жра ном прохождение: его через исследуемое вещество ПОЙ этом сводится к выбору такого для ко- интервала времени анализа .эктов циркуляции я ТОрО(-0 ЧИСЛО отношение чисел N как цеопределкак последующему подсчету за Д i. чисел в. и N , так что ci- окончательно имеем вураже- Д1Ш уг. iiiie /..-UN/a-n. Реализаций условия аелочисленности ношения в / N и подсчет соответ гвующих числе 13 и N могут быть осуществлены сопоставлением результатов двух синхронных записей импульсных сигнале в видеомагнитофоне 26. Для повышения надежност сат:екщга чксла U сигнал с выхода фотоэлектронного преобразователя 15 подается на пороговую схему 24 (ограничитель по минимуму) с порогом ограничения Иогр 52 от5определяемым среднеквадратичным уровнем шума Е и фотоэлектронного преобразователя 15 и задаваемым отношением полезный сигнал-шум Р , то есть Uorp PV Тогда на выходе пороговой схемы возникает периодическая последовательность импульсов о периодически повторяющимися пропусками групп импульсов, амплитуды которых ниже порогового уровня .Те из импульсов, амплитуды которых выше порогового уровня ОI Uozp усиливаются и нормализуются по амплитуде в формирующем усилителе пороговой схемы 24, поэтому число N просто определяется числом пропусков групп импульсов в записи на второй магнитной дорожке магнитофона 26. Для псйышения помехоустойчивости импульсы записи на вторую дорожку подаются через схему совпадений. Пра этом исключаются ложные записи от помех и синхронизируется запись импульсных последовательностей на обеих записывающих дорожках магнитофона (схема совпадений 25 при этом осуществляет оптимальную обработку полезной записываемой информации). Число записей на первой магнитной дорожке ti , соответствующее найденному значению N нулевых (пропущенных) групп импульсов, может быть уточнено путем определения центра N -ой нулевой группы. Для этого достаточно взять среднее арифметическое двух чисел (ri j j n- -ri iuiKc где и д,„нГ число импульсов, записанных на первой дорожке и приходящихся на начало N -ой нулевсш группы (по отметкам на второй дорожке); .с импуль сов, записанных на первой дорохске и приходящихся на конец N -ой нулевой группы (также по отметкам второй дорожкя). Очевидно, что точность в определении центра N -ой кулевой группы увеличивается прт снижении числа импульсов в группе, для чего следует выбирать уровень ограничения в пороговой схеме 24 существенно низким по сравнению с амплитудой импульсов з максимуме, то есть UOZP UO. При этом предельная точность отсчета угла oL определяется лишь уровнем шума фотоэлектронного преобразователя 15, а также числом циркуляции а. Так, при учете только числа циркуляции л относительная погрещность измере- цря угла вращения oi. имеет вид a(t/2n. Для определения влияния шума фотоэлектронного преобразователя 15 на точность отсчета угла оС необходимо задаться законом распределения шумового сигнала и полосой пропускания канала записи, а затем найти среднее число выбросов шума в единицу времени, амплитуды кoтopыxJпpeвышaют задан:ный пороговый уровень ХГозр и, оценить вероятность совпадения йоявления этих выбросов и моментов записи импульсов по первой дорожке (поскольку на второй до рожке записываются только совпадающие по времени импульсы с импульсами, записываемыми на первой дорожке). Кроме того, следует учитывать совпадения не для всех выI бросов, а только для той группы выбросов, , которые дают непрерывную запись на второй дорожке после того, как в действительности , наступает N -ая нулевая группа импульсов, а также для той группы выбросе, которые дают непрерывную запись на второй дорожке до того, как в действительности оканчивается N -ая нулевая группа. Вероятность таких совместных событий ничтожно мала, поэтому для не очень больщего числа tl (до нескольких десятков тысяч) можно считать, что погрещность в измерении угла вращения cL практически целиком определяется числом учитываемых циркуляции п пробного импульса. Таким образом, измеряемый угол вращеиия плоскости поляризации ot для исследуемой среды 3 при ее однократном проходе определяется из неравенства. Полагая n л. 1 и оптическую длину ере- -ды 3 равной L , легко вычислить величину, iудельного вращения среды в виде X TrN/2n L На .основе предложенного устройства мож но осуществлять диагностику оптической активности малоактивных сред, для которых существующие методы измерения оптической активности оказываются непригодными изза их недостаточной чувствительности и точности. Кроме того, данным прибором можно обнаруживать и измерять весьма малые воэмущения величины оптической активности оптически активных сред со средней и даже высокой оптической активностью. Однако для компенсации начальной (до возмущения) величины оптической активности этих сред сле дует применять дополнительные компенсационные Элементы (2), обладающие оптической активностью с обратным направлением вращения плоскости поляризации (по отношению к направлению вращения в исследуечТой среде) на угол, равный исходному угл враг , Гшёнйя гаГОсКС сти полйризании в исйледуемок Среде в отсутствие ее возмущения от какого-либо источника возмущения 4 (теплового, электрического, магнитного, механического и т.д.). Так, можно в качестве компенсационного элемента 2 использовать пластину правовращающего кварца, а в качестве исследуемой среды - пластину левоврДщающего кварца, так что в исходном сОстоянии вращение плоскостр поляризации в квантовом редиркуляторе практически не обнаруживается. Затем воздействовать каким-либо возмущением на исследуемую среду - левовращающую пластину кварца - и оценить величину появивщейся дополнительной, искусственно инициируемой оптической активности в среде 3 по вьГшёЬписанной методике, как для исследования малоактивных сред. Если точная компенсация исходного значения -оптической активности исследуемой среды затруднена, то для определения компоненты оптической активности исследуемой среды, обязанной возмущению последней, не- обходимо произвести два замера: один - для определения угла вращения oL совокупности компенсационного элемента 2 и невозмущенной среды 3, а другой .- для определения угла вращения oL той же совокупности; но при наложении на среду 3 возмущения. При этом дополнительный угол вращения cf. связанный с возмущением среды 3, определится из простого выражения oi.. с.2 - о«..ц. Формула изобретения Устройство для диагностики оптически активных сред, содержащее поляризатор, о т- личающееся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерения оптической активности в мало 1ктивных средах, а также регистрации малых изменений оптической активности сред, возмуш ае- мых факторами различной физической природы, -ОНО снабжено квантовым рециркулятором, образованным кольцевым включением полупрозрачного отражателя, компенсационного элемента, оптического квантового усилителя, системы зеркал и оптической линии задержки, причем, вхбд квантового рециркулятора связан с источником лияейно поляризованного импульсного пучка когерентного спета, а выход - с блоком анализа время-полярисзационной характеристики квамгового рециркулятора.