Способ измерения двулучепреломления Советский патент 1982 года по МПК G01N21/23 

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЯ

1

Изобретение относится к исследрванию оптических свойств материалов, в частности для исследования переходных процессов двупреломления в оптически неоднородных материалах под воздействием импульсного электрического поля в наносекундном интервале времени.

Известен способ измерения двулучепреломления, использующий скоростные фотоприемники и осциллографы, в том числе и стробоскопические для измереиия двупреломления в наносекундном интервале времени 1 .

Однако этот способ измерения критичен к нестабильнЬсти интенсивности измеряющего светового потока и чувствительности фотоприемника. Кроме того, при исследовании сложных переходных процессов двупреломления для получения конечных результатов требуется обработка данных на ЭВМ. Поляризационно-оптический способ неприменим при исследовании оптически неоднородных материалов, например прозрачной сегнетокерамики, а также образцов, светопропускаемость которых меняется в зависимости от внещних факторов: электрического поля, температуры.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ измерения двулучепреломления, наведенного

5 внешним воздействием в образце, помещенном в поляризационно-антенную систему, путем автоматической компенсации измеряемого двулучепреломления с помощью дополнительного двулучепреломляющего элемента, управляемого,напряжением, полученным при синхродетектировании фотоэлектрического отклика на рассогласование фазы обыкновенного и необыкновенного лучей на выходе поляризационно-оптической системы и последующей регистрации значения

5 двулучепреломления 2.

Недостатком данного способа является ограниченное временное разрещение измерений.

Цель изобретения - увеличение вре20 менного разрешения измерений.

Цель достигается за счет того, что согласно способу измерения двулучепреломления, наведенного внещним воздействием в образце, помещенном в поляризационнооптическую систему, путем автоматической компенсации измеряемого двулучепреломления с помощью дополнительного двулучепреломляющего элемента, управляемого напряжением, полученным при синхродетектировании фотоэлектрического отклика на рассогласование фазы обыкновенного и необыкновенного лучей на выходе поляриза-цйонно-оптической системы, и последующей регистрации значения двулучепреломления, напряжение для управления дополнительным двулучепреломляющим элементом перед синхродетектированием сканируют стробоскопическим устройством, при этом напряжение рассогласования вводят с частотой, меньшей частоты внешнего воздействия. На фиг. 1 изображны временные зависимости сдвига фазы между обыкновенным и необыкновенным лучами поляризационнооптической системы, вызванного двупреломлением образца - Г (t)(a), временные зависимости стробимпульсов (б), суммарного сдвига фазы П (t) + Гз(1), вызванного двулучепреломлением образца и рассогласованием (в), фотоэлектрического отклика Оф (кривая f) и напряжения выходе сгробирующего устройства (например, осциллографа) При нескомпенсированном (г и скомпенсированном (д) двупреломлении образца; на фиг. 2 - структурная схема устройства, с помощью которого измеряют изменение двупреломления под воздействием повторяющихся электрических импульсов малой длительности; на фиг. 3 -- кривая, полученная при записи переходного процесса двулучепреломления в электрооптической сегнетокерамике ЦТСЛ 10/65/35 с помощью указанного устройства. Под воздействием электрических импульсов изменяется двулучепреломление исследуемого образца Дп{1:), что вызывает сдвиг фазы между обыкновенным и необыкновенными лучами поляризационно-оптической систеты Г) (t) (фиг. 1 а). Интенсивность проходящего через поляризованно-оптическую систему света 1(1), а вместе с тем и фотоэлектрический отклик на выходе поляризационно-оптической системы при направлении главных осей двулучепреломляющих элементов, помещенных между скрещенными поляризатором и анализатором 45° по отношению к направлениям осей поляризатора и анализатора, изменяется согласно выра-жению Uq.(t) K(t) KlpSin r t) где Og - интенсивность падающего на образец света; К - коэффициент пропорциональности. Если помимо образца в поляризационнооптическую систему помещены двупреломляющий элемент для компенсации двупреломления образца, вносящий сдвиг фазы Гг, и элемент, вносящий рассогласование фазы по закону Fj I oSincJt, фотоэлектрический отклик по времени изменяется согласно выражению иф Klosin JJ- ri(t) -Гг + Г sincJt }. Стробирующее устройство измеряет величину фотоэлектрического отклика в момент стробимпульса t terpod и поддерживает данный уровень )(На выходе стробирующего устройства до следующего стробимпульса:UBbu (Fi/ - Га -f Tjo sincJt) BbU t t(,rpo6 (фиг. 1 г, кривая ж). Если частота повторения импульсов воздействия гораздо больше частоты напряжения рассогласования, напряжение на выходе можно считать квазинепрерывным. Для упрощения принимается, что Г малая величина по сравнению с Г( и Г .В случае, если t {др переменная составляющая напряжения на выходе стробирующего устройства имеет удвоенную частоту напряжения рассогласовайия и управляющее автокомпенсацней напряжение, полученное после синхродетектирования, равно О, при условии, что опорное напряжение синхродетектирования имеет частоту, равную частоте напряжения рассогласования. В случае, если П/ ф Гг, то на выходе стробируt t(T.pori ющего устройства появляется переменная составляющая с частотой напряжения рассогласования со (фиг. 1 г, кривая ж). В зависимости от того, больше или меньще величина компенсирующего сдвига фазы Г, чем сдвиг фазы, вносимый образцом в данной точке стробирования ($ пряжение на выходе стробирующего устройства будет или в фазе, или в противофазе с напряжением рассогласования. Синхродетектирование дает соответственно напряжение положительной или отрицательной полярности, используемой для управления компенсацией двупреломления. Предложенный способ можно реализовать при помощи устройства, измеряющего быстрые изменения двупреломления образца под воздействием импульсного электрического поля малой длительности. Устройство, блок-схема которого показана на фиг. 2, включает поляризационно-оптическую систему, состоящую из источника 1 света - лазера ЛГ-52, поляризатора 2, модулятора 3 света МЛ-3, вносящего сигнал рассогласования, компенсационного двупреломляющего элемента - кварцевого оптического клина 4, образца 5, анализатора 6;

и электрический тракт, состоящий из фотоэлектрического приемника света - фотодиода ФД-9 или фотоэлектронного умножителя 7 18-ЭЛУ; стробирующего устройства 8 - стробоскопического осциллографа CI-39, селективного усилителя 9 В6-4, синхродетектора 10 СД 2, генетатора 11 синусоидальных колебаний ГЗ-33, сервосистемы 12, двухкоординатного самописца 13 и генератора электрических импульсов наносекундной длительности 14. .Оси поляризатора 2 и анализатора 6 срещены; направления оптических осей модулятора света 3, оптического клина 4 и направление электрического поля в образце 5 направлены под углом 45° по отношению осей поляризатора 2 и анализатора 6.

Пример. Для определения переходного процесса двупреломления в сегнетокерамике ЦТС Л 10/65/35 берут образец размерами 1,3x1,3X1,3 мм, на противоположных гранях которого нанесены электроды, и помещают в поляризационно-оптическую систему. Кварцевый оптический клин устанавливают в положение, близкой к минимуму проходящего через поляризационно-оптическую систему света. После этого на образец подают импульсное электрическое поле с амплитудой импульсов 800 В, длительностью 2 МКС, фронтом нарастания 10 не, частотой повторения 1000 Гц. На модулятор подают синусоидальное напряжение частотой 90 Гц, что на порядок меньше частоты повторения импульсов. На ту же частоту настраивают селективный вольтамперметр. Устанавливают фазу синхродетектора по максимуму показаний. Точку стробирования стробоскопического осциллографа устанавливают на временной оси перед импульсом электрического поля. Устанавливают диапазон развертки стробоскопического осциллографа 100 не/см. Включают сервосистему автоматической компенсации, которая устанавливает оптический клин в положение, соответствующее нулевой разнице фазы обыкновенного и необыкновенного лучей поляризационно-оптической системы. Сервосистема вырабатывает постоянное напряжение, пропорциональное перемещению оптического клина, а также сдвигу фазы обыкновенного и необыкновенного лучей r(t), которое подается на У вход двухкоординатного самописца. Калибровку производят с.помощью автоматической компенсации, смещая оптический клин на ближестоящий минимум проходящего через поляризационио-оптическую систему света, т. е. находят на оси У самописца, значение, соответствующее сдвигу фазы Г 2А(фиг. 3).

Включением развертки осциллографа производят сканирование стробоскопическим осциллографом временной оси в интервале исследования переходного процесса, а также подают на X вход двухкоординатного самописца пилообразное напряжение, пропорциональное значению сканирования. В каждой точке стробирования система автоматической компенсации реализует перемещение оптического клина до значения, соответствующего компенсации сдвига фазы, вызванного двупреломлением образца Ап в данной точке стробирования. Таким образом на двухкоординатном самописце регистрируют зависимость Г| (t) ( фиг. 3). Пересчет сдвига фазы на двупреломление происходит согласно выражению

r,(t) 2КАпа) где t - длина образцов по направлению

распространения луча света; Л - длина волны света.

Подставляя значения t 1,3 мм и А 0,633 мкм, полу14аем, что калибровочная метка на У оси Г 2jt соответствует значению двупреломления До Б-Ю.

Использование предлагаемого способа измерения наведенного внешним воздействием двупреломления обеспечивает по сравнению с существующими - увеличение временного разрешения измерения.

25

Увеличение временного разрешения измерения зависит от частотной полосы стробоскопического осциллографа и фотоэлектронного приемника. Используя, например, стробоскопический осциллограф С 1-39

и фотоэлектронный умножитель 18-ЭЛУ, временное разрешение измерений составляет 10, что по крайней мере на 3 порядка лучше, чем в прототипе. Такое временное разрешение измерения позволяет измерять наведенное внешним воздействием двупреломление в оптически неоднородных материалах, что невозможно при использовании известного компенсационного способа. В случае прототипа достижение временного разрешения Ю требует

частоту модуляции света и синхродетективирования до 1 - 10 ГГц. В предложенном же способе данная частота не превышает 1 кГц.

Формула изобретения

Способ измерения двулучепреломления, наведенного внешним воздействием в образце, помещенном в поляризационно-оптическую систему, путем автоматической компенсации измеряемого двулучепреломления

с помощью дополнительного двулучпреломляющего элемента, управляемого напряжением, полученным при. синхродедектировании фотоэлектрического отклика на рассоглсование фазы обыкновенного и необыкновенного лучей на выходе поляризационно-оптической системы, и последующей регистрации значения двулучепреломления, отличающийся тем, что, с целью увеличения

временного разрешения измерений, напряжение для управления дополнительным двулучепреломляющим элементом перед синхродетектированием сканируют стробоскопиеским устройством, при этом напряжение рассогласования вводят с частотой, меньшей частоты внешнего воздействия. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

5, 1}ф

/I

5wx

r

N / 2

к

Ч-М-1

N-i

е

3

Г JI/; V

5

V 5

(2.2

Г

ЛГ)

231

5-W