Способ измерения параметров светонаведенных дихроизма и двулучепреломления

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОДИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 N 21/19

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4905151/25 (22) 25.01.91 (46) 30.03.93. Бюл. N 12 (71) Институт физики Литовской АН (72) В.Б,Гульбинас, В.И.Кабелка и А.В.Масалов (56) О.МайесК A,l.Cross et а1. Picosecond

pulse induced transient molecular

birefrigence and dichroism, J,Chem. Phys„

74, N 6, р,3381 — 3387. 1981, Васильева М.А, Амплитудная и фазовая части нелинейного отклика красителей, — Кван. товая электроника, t984, т.tl, N 1, с.90 — 97. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

СВЕТОНАВЕДЕННЫХ ДИХРОИЗМА И

ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЯ

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 светонаведенных дихроизма и двулучепреломления.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения светонэведенных 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, регист рируют временную зависимость выделен„„5U„„1805351 А1 (57) Использование: изобретение относится к нелинейной оптике и может быть использовано для исследования материалов, ripoявляющих дихроизм просветления и двулучепреломление при облучении поляризованным светом. Сущность; сйособ 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. ной поляризационной компоненты пробных импульсов, э параметры дихроизма и двулучепреломления в материале определяют следующим расчетным выражением: Q() .

С)

Тп(Т = ехр (3 2 @ д ((а — t + QI (л

Ч = - - 1яд — (Га — 1+((b — 1)

1 а

Ь=

З1 (л (S S(т( причем Т» — пропускание пробного излучения для его. поляризации, параллельной к поляризации возбуждения;

Tj — пропускание пробного излучения для егб поляризации, перпендикулярной к поляризации возбуждения;

V — разность фаз для компонент поляризации пробного излучения параллельной

1805351 и перпендикулярной к поляризации возбуждения; д — угол расстройки анализатора от положения скрещенности с поляризацией пробного излучения; (S/$t) — соотношение энергии пробного излучения перед анализатором и за ним в отсутствии возбуждения; . (S/St)tttitt — соотношение энергии пробного излучения перед. анализатором и за ним в минимуме кинетической зависимости; (S/S>)ma> — соотношение энергии пробного излучения перед анализатором и эз 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 поляриза 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 раэ. Суть такой воэможности в том, что в процессе релаксации светонаведенных дихроизма и двулучепреломления состояние поляризации пробного импульса изменяегся, т.е, принимает различные tloложения относительно анализатора, тем самым, осуществляя "сканирование по углу".

После облучения раствора красителя импульсом линейнополяризованнего излучеНИЯ С ПЛОтНОСтЬЮ ЭНЕРГИИ, ОСтатОЗЧНОй ДЛЯ просветления раствора (10 — 10 Дж/см ) в нем возникает дихроизм просветления, характеризуемый отношением пропусканий пробного излучения Тц/Т для компонент поляризации параллельной и перпендику. лярной к поляризации возбуждений, в двулучеп реломление, характеризуемое величиной разности фаз Ч между теми же компонентами, Величины Тп/Т и V зависят от плотности энергии возбуждения и свойств среды,: начального прапускания раствора Тр, степени анизотропии отдельных молекул красителя и т.n„ a их релаксация может быть количественно описана с помощью выражений для компонент электрического поля пробного импульса:

- /т A.

Еквьх = E)i6" 4То ехр(e . (+ Be д) — t/7 A В /

° Åõ "=Е ""4,е р(е (2+2e д))(1) 5

10 где А и  — комплексные числа, — время задержки пробного импульса по отношению к возбуждениюх — время электронной релаксации, а тл — время поворотной диффузии молекул красителя. Дихроизм Тп/Т и двулучепреломление V раствора связаны с действительной и мнимой частью величины и в начальный момент (t = О) равны соответственно

ТК/Т I Яввых/Еввх 2/ Е вых/ вх 2 e3ReB

И) ф = (In (вых/Е в") — In (в"õ"/I вх)) =

3 ! в8

На фиг.1 приведена схема устройства для реализации способа; на фиг.2 — схема поляризаций пробного и возбуждающего

20 импульсов и пропускания анализатора; на фиг.3 — качественная временная зависимость сортиошения измеряемых сигналов

$/Si.

Устройство для реализации способа со2б держит установленные последовательно на оптической оси расщепительную пластинку

1, преобразователь 2 длины волны зондиру-. ющего импульса, линию Э задержки, поляризатор 4, рзсщепительную пластинку 5„

30 анализатор 6 и фотодиод 7, На пути отраженного от расщепительной пластинки 1 импульса помещены поворотное зеркало 8, преобразователь 9 длины волны возбуждающего импульса и фазовая полуволновая

3б пластинке 10, а на пути отраженного от расщепительиой пластинки 5 зондирующего импульса помещен фотодиод 11. Между ли.нией 4 задержки и расщепительной пластинкой р путь зондирующего импульса III

40 пересекает путь возбуждающего импульса

И, и на месте их пересечения помещается исследуемый образец 12, Способ измерения включает следующие операции. Линейно поляризованный

45 лазерный импульс 1, длительность которого выбирается не менее чем на порядом, кероче времени восстановления исходных свойств среды, т.е. короче времен релаксации дихроизма и двулучепреломления, рэсщепительной пластинкой 1, делится на дэе части. Одна часть используется для формирования возбуждающего И, а другая - зондирующего III импульсов, С помощью преобразователей 2 и 9 длины волны выби55 раются интересующие длины волн возбуждения и зондирования. Используются такие преобразователи 1 и 9, которые не увеличивают длительность импульсов, Исследуемую среду 12 облучают возбуждающим

1805351 импульсом II, который наводит в среде 12 дихроизм просветления (или затемнения) и двулучепреломление. Состояние среды 12 анализируют излучением пробного импульса И! после возбуждения с временной задержкой t варьируемой от нуля до нескольких времен релаксации дихроиэма и двулучепреломления, при помощи регулируемой линии 3 задержки.

Угол между поляризациями возбуждающего и зондирующего импульсов устанавливают 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 вегичин 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 расчетные 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 нэ фотоп риемник 7 осуществляется светоделительной 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

Е ", E " — сОстОЯниЯ электрического поля пробного импульса на входе и выходе из исследуемого образца;

Etiâx Elâõ Еявых, Egâûx параллельные и перпендикулярные к полю возбуждающего импульса компоненты поля пробного им, пульса на входе и выходе из исследуемого образца; Э

Q — угол поворота главной Оси эллипса поля пробного импульса;

p — угол между полями возбу>кдэющего и пробного импульсов на входе в образец:

5 д — угол рэсстройки анализатора 6 по отношению к состоянию скрещенности с поляризатором 4.

Тогда на вход в среду 12 для компонент пробного импульса имеем Еи " = Есор "р

10 Е " = Ев л "р . Поле на выходе иэ среды описывается математическими выражениями (1). Сигнал, прошедший через анализатор 6, пропорционален

5-(Е „1 "ва(4)-E сов((р-В)) «)Е Т ехр(веАе

x(coscp ве(ср-В)ехр(Ье "9)-вша сов(ср-В)ехр(- — е "9)), 2 (3)

Сигнал S1 пропорционален х л (4)

+в п р ехр(-2еЬе " " 9 1) °

Учитывая, что в растворах красителей

25 величина В не превосходит единицу и можно приближенно считать, что ехр В g 1 + В и выбирая угол ф = агс19,/2 (обычная процедура при поляризэционных измерениях), для отношения сигналов получаем

Щ-(ых0- — сох -" - х1 en

ra !+ (5)

С учетом (2) последняя зависимость переходит в

Вп(Т„(Тх)

ЪЙ (Д балх е

+ — ср совке !

3 (6) где 1/ r = 1/т + 1/т

При величинах поворота анализатора на угол 0 <д < Re В/lf 2 зависимость S/Si от времени задержки имеет характерный вид

45 (см, фиг,3) 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, I 8 и

1/Г + 1//Tg э следовательно и вычислить, Т /Т и р Такая аппроксимация может быть проведена и не в полном объеме, а по некоторым точкам, Один из способов приводит55 ся ниже, Он состоит в использовании величин сигналов в максимуме кривой ($/S1)Max и для невозбужденного раствора (S/S1)0 (значения при "отрицательных" за- . держках), взятых по отношению к минимальному сигналу (S/S 1) 1805351 (&JAN,). (!М "«

-(Н51-;. ® (7)

Соответствующие значения S/S> по формуле (5) составляют: (<<5 вю <

1 и т (5(5<)о 5,«3

< <,<.,„-;" t(,;,,) .

Причем минимальное значение(S/S 1)mtn достигается при

Ц ЦЙ IRe5

Ч )ц2

Для а и b получаем а= —,Ь= — 1- Ct3 t+ +d 3 3

ie, liI 2 ое Щ

? Ь I 5 (8)

Решение системы (8) относительно ReB u

1mB дает,ГО:1

«a«= it>I, (4a-< 4ь=<) с

t ü- — (о-<. ь-

<<<= — tg 2), à n — число времен задержки, при которых производятся измерения. B предлагаемом способе число измерений сокращается, поскольку нет необходимости варьировать положение анализатора: оно равно числу времен задержки и. Таким образом выигрыш s 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 (5 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 рас5 твором зондирующий импульс проходил через линию 3 задержки и поляризатор 4.

Поляризация возбуждающего импульса при помощи фазовой пластинки 10 поворачивалась так, что составляла угол p: = 54,7 с

10 поляризацией пробного импульса. За кюветой 12 на пути зондирующего импульса установленный анализатор 6 был ориентирован так, чтобы плоскость его пропускания была повернута на угол д . = 4О по

15 отношению скрещенности с поляризатором

4. Этот угол соответствовал примерно половине максимального поворота главной оси эллипса поляризации пробного импульса (фиг.2) и обеспечил регистрацию характер20 ной временной зависимости соотношений

S/S1 (фиг,3). Регистрировалась энергия пробного импульса до падения на анализатор 6 и за ним фотодиодами 7 и 11 соответственно, Сканируя при помощи линии 3

25 задержки через каждые 5 пс, измерялась зависимость соотношения S/SI от времени задержки (фиг.3). При каждой задержке усреднялись результаты десяти "выстрелов ".

По полученной временной зависимости

30 (фиг.3) определялись соотношения (5/Я )о, (S/S ),, и (S/SI) «:, по которым с по-. мощью выражений (9), (8) и (2) определялись величины наведенных дихроиэма и двулучепреломления. Проводя серию таких изме35 рений при длинах волн зондирования изменяемых в области полос поглощения и флюоресценции родамина 6Ж в этаноле через каждые 4 нм были определены частотные зависимости указанных параметров, 40 Установлено, что светонаведенный дихроиэм имеет максимум на частоте чисто электронного перехода, а наведенное двулучепреломление имеет отрицательное значение в области полосы флюоресценции, 45 и положительное — в области полосы поглощения с максимумами вблизи максимумов полос флюоресценции и поглощения соответственно.

Измерения были выполнены за неделю, 50 а по методу, взятому в качестве прототипа, это заняло бы не менее месяца.

Формула изобретения

Способ измерения параметров светонаведенных дихроизма и двулучепреломле55 ния, включающий облучение исследуемой среды возбуждающими импульсами линейно поляризованного света, зондирование возбужденной области среды световыми импульсами пробного излучения, регистра1805351

10 цию поляризационных параметров прошед- Ти — коэффициент пропускания пробношихчерезсредуианализаторпробныхсве- ro излучения для его поляризации, пэралтовых импульсов в зависимости от времени лельной поляризации возбуждения; задержки пробных импульсов, о т л и ч а ю- Т вЂ” коэффициент пропускания пробношийся тем, что, с целью. повышения 5 го излучения для его поляризации, перпенпроизводительности измерений, регистри- дикулярной к поляризации возбуждения; руют временную зависимость выделенной V — разность фаз для компонент поляполяризационной компоненты пробных им- ризэции пробного излучения параллельной пульсов, а параметры дихроизма и двулу- и перпендикулярной к поляризации возбужчепреломления в материале определяют из 10 дения; следующих соотношений. д — угол расстройки анализатора от потЗ Го т л т + ложения скрещенности с лоляриаациеи е пробного излучения; ь — т) } ($/S1)o — соотношение энергии пробно15 го излучения перед анализатором и за ним р @ (1+ Я" 1) в отсутствии возбуждения, 1 (SI$ )му и — соотношение энергии пробного излучения перед анализатором и за ним в минимуме кинетической зависимости;

S> мин S> мин 20 (S/S>)M,« — соотношение энергии пробного излучения перед анализатором и за ним в максимуме кинетической зависимости.

1805351 ф/г(к с

Составитель В.Гульбинас

Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор Л.Пилипенко

Редактор

Заказ 937 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета,по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101