Способ преобразования линейной поляризации на заданный угол и устройство для его осуществления

 

Использование: изобретение относится к оптико-механическим приборам, а точнее к средствам поверки поляриметров-саха риметров. Сущность изобретения: для преобразования линейной поляризации на заданный угол Δα используется плоскопараллельная пластинка, выполненная из изотропного материала с известным показателем преломления n, которую первоначально наклоняют на угол Ψ к падающему пучку света, фиксируют ее в положении, при котором показания поляриметра равны нулю, затем поворачивают пластинку вокруг оптической оси на угол π/4 или -π/4 а величину Δα определяют по формуле где β = arc Sin(n^-1 · Sin Ψ ). Пластинка закреплена в оправе в виде цилиндра под углом Ψ к оси цилиндра, оправа установлена в корпусе, содержащем стопор и щечки, вписывающиеся в фигуру в виде трехгранной призмы, параллельная ось которой совпадает с осью цилиндра оправы и равно удалена от всех трех граней призмы, причем две грани призмы составляют между собой прямой угол и соответственно углы -π/4 и +π/4 с третьей гранью. 2 с.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к оптико-механическим приборам, предназначенным для анализа веществ поляриметрическими методами, а точнее к средствам поверки и настройки поляриметров-сахариметров.

Для определения концентрации C сахара (или глюкозы) в растворах в пищевых продуктах, в урине и т.д. по результатам преобразования линейной поляризации Δα прошедшего через слой исследуемого продукта толщиной d пользуется зависимостью Био C% = 100·Δα·[α]^-1·d^-1= K·Δα, где [α] - удельное вращение плоскости поляризации растворенного продукта; K - постоянный коэффициент, который в процессе исследований конкретного продукта не меняется.

Из этой зависимости видно, что для поверки таких поляриметров можно применять два способа; прямой, когда в кювету наливают эталонный раствор с заранее известным содержанием сахарозы или глюкозы и соответственно известным Δα, и косвенный, когда с целью преобразования угла плоскости линейной поляризации на требуемую величину Δα вместо раствора в пучок вводят другое оптически активное вещество, например кристаллическую кварцевую пластинку, изготовленную по ГОСТ 22409-77, а показания поляризатора считывают в тех же процентах сахара или глюкозы.

Прямой способ поверки простой, но не надежный из-за нестабильности приготовленного эталонного раствора со временем (испарение растворителя, химические изменения). Поэтому он применяется редко. Для поверки точных поляриметров используют косвенные способы [1]. Наиболее близким к объекту заявки является известный способ поверки поляриметров с помощью кварцевых пластинок [2]. Суть известного способа состоит в том, что в параллельный линейно поляризованный монохроматический пучок света испытуемого поляриметра вводят плоскопараллельную пластинку толщиной d из кристаллического кварца Z - среза (вырезанную перпендикулярно оптической оси), которая преобразует азимут линейной поляризации на заранее известный угол. Для этого согласно действующего ГОСТ 22409-77 существуют малый и большой наборы образцовых и контрольных кварцевых пластинок различной толщины. Выбор той или иной пластинки из наборов зависит от требуемого диапазона измерения.

Так, например, диапазон процентного содержания глюкозы в урине обычно не превышает 10%. Если кювета поляриметра выполнена, например, длиной 50 мм, то согласно зависимости БИо величина угла изменения азимута линейной поляризации 10%-ным раствором глюкозы для длины волны света λ_D = 589 нм будет Δα = 2,63^o. Следовательно, для поверки данного поляризатора из набора пластинок (ГОСТ 22409-77) можно применить пластинки, преобразующие плоскость поляризации на углы Δα = 1^o или Δα = 2^o. При этом, показания такого поляриметра должны быть соответственно 3,8 и 7,6% глюкозы.

Однако и этот известный способ преобразования линейной поляризации на заданный угол Δα для поверки поляриметров имеет ряд существенных недостатков.

Во-первых, стоимость кристаллического кварца высока, а процесс изготовления кварцевых пластинок является технически сложным и трудоемким. Например, чтобы обеспечить преобразование азимута линейной поляризации кварцевой пластинкой на величину Δα = 2^o = 0,035 рад с точностью ± 0,002^o = 3,5 · 10^-5 рад требуется изготовить пластинку толщиной примерно 0,1 мм с точностью ± 0,9 микрона при диаметре не менее 15 мм (обычно диаметр пучка света поляриметров в пределах 10 мм - 20 мм). Такую пластинку сделать очень трудно. Поэтому пластинку делают составной, состоящей из двух пластинок кристаллов кварца левого и правого вращения плоскости поляризации различной толщины. К тому же для определения оптической оси кристалла в процессе его обработки требуются специальная аппаратура и высококвалифицированные специалисты. Поэтому наборы образцовых поляриметрических пластинок по ГОСТ 22409-77 имеются лишь в институтах Госстандарта, а контрольными кварцевыми пластинками обладают отдельные центры.

Во-вторых в случае использования поляриметрических кварцевых пластинок для поверки точных поляриметров предъявляются жесткие требования к спектральным и геометрическим характеристикам пучка света испытуемого поляризатора. Эти требования диктуются необходимостью направления всех лучей пучка вдоль оптической оси, кристаллы пластинки и дисперсией кварца. Так, например, в окрестности λ_D = 589 нм дисперсия удельного вращения кварца d[α]/d_λ≈0,08 град/нм. Для двух пластинок с разницей в толщинах 0,1 мм dα/d_λ≈0,008 град/нм. Следовательно, если точность поляриметра ±0,002^o, то максимум эффективной спектральной плоскости светового потока должен удерживаться с точностью не хуже ± 0,25 нм, что совершенно неприемлемо для серийного производства доступных по цене простых поляриметров, например для самоконтроля больших сахарным диабетом. Поэтому задача преобразования линейной поляризации на заданный угол для поверки и настройки поляриметров особенно в процессе их изготовления и эксплуатации является актуальной.

Предлагается новый надежный и простой способ преобразования линейной поляризации на заданный угол и устройство для его осуществления. Суть предлагаемого способа состоит в том, что в параллельный линейно поляризованный монохроматический пучок света испытуемого поляриметра вводят плоскопараллельную пластинку, выполненную из изотропного материала с известным показателем преломления n, первоначально наклоненную в оправе на заранее заданный угол Ψ к падающему на нее пучку света и разворачивают ее с оправой вокруг оптической оси испытуемого поляриметра до такого положения плоскости падения света на пластинку, при котором показания испытуемого поляриметра равна нулю, фиксируют такое положение пластинки с оправой, затем с зависимости от требуемого направления преобразования дополнительно поворачивают пластинку вкруг оптической оси испытуемого поляриметр на угол π/4 или π/4 а величину преобразования угла плоскости поляризации Δα пластинкой определяют по формуле: где
Для осуществления предлагаемого способа пластинка закреплена в оправе в виде цилиндра под углом Ψ к оси цилиндра, оправа установлена в корпусе, содержащем стопор и щечки, вписывающиеся в фигуру в виде трехгранной призмы, продольная ось которой совпадает с осью цилиндра оправы и равно удалено от всех трех граней призмы, причем две грани призмы составляют между собой прямой угол и соответственно -π/4 и +π/4 с третьей гранью.

На фиг. 1 показаны две оптические схемы самых распространенных поляриметров для измерения концентрации сахара в растворах, работающих по методу гашения света (фиг. 1, а) и по методу симметричных углов (фиг.2, 1б), которые могут настраиваться и поверяться с помощью предлагаемого способа.

На фиг. 2 показан один из возможных вариантов конструкции предлагаемого устройства для осуществления способа преобразования линейной поляризации на заданный угол.

На фиг. 3 показан ход лучей в плоскопараллельной пластинке для иллюстрации преобразования линейно поляризованного света.

На фиг. 4 показаны кривые изменения p- и s - компонент, прошедших через пластинку линейно поляризованных лучей при изменении угла наклона пластинки Ψ.
На фиг. 5 показана геометрическая интерпретация эффектов изменения поляризации с помощью предлагаемого устройства.

На фиг. 6 показаны кривые, иллюстрирующие эффект изменения линейной поляризации света, прошедшего в процессе разворота ее вокруг оптической оси при различных углах наклона Ψ в оправе.

Варианты осуществления предлагаемого способа и устройства преобразования линейной поляризации на заданный угол рассмотрим на примерах двух характерных схемах поляриметров-сахариметров (фиг. 1). Каждый поляриметр содержит источник света 1, коллиматор 2, светофильтр 3, например, интерференционный, пропускающий желтый свет линии D, т.е. λ_D = 589 мкм, неподвижный поляризатор 4, подвижный поляризатор 5, встроенный в оправу с лимбом 6. Между поляризаторами 4 и 5 на направляющих 7 установлена либо кювета 8 с исследуемым раствором (на фиг. 1 показана пунктиром), либо контрольное устройство 9 для преобразования линейной поляризации на заданный угол Δα . В зависимости от назначения и требуемой точности измерения поляризаторы-сахариметры условно можно разделить на две группы: фотоэлектрические поляриметры, работающие по методу гашения света (фиг. 1а), у которых в исходном (нулевом) положении плоскости пропускания света поляризаторов 4 и 5 взаимно ортогональны, а после поляризатора 5 установлен фотоприемник 10 и визуальные поляризаторы, работающие по методу симметричных углов (фиг. 1, б), у которых неподвижный поляризатор 4 состоит из двух примыкающих друг к другу встык поляризаторов 11, 12, плоскости поляризации которых составляют симметрично углы Θ относительно линии их раздела, а после поляризатора 5 установлен окуляр для наблюдения полой яркости пучков света, прошедших обе части составного поляризатора 4. В каждом поляризаторе направляющие 7 строго параллельны оптической оси, что обеспечивает надежную фиксацию кюветы 8 или контрольного устройства 9 в рабочем пучке. Для настройки, контроля и поверки подобных поляриметров предлагается устройство преобразования линейной поляризации на заданный угол (фиг. 2), которое содержит плоскопараллельную пластинку 13 в оправе 14 и корпус 15 для установки устройства на направляющие 7 (фиг. 1). Пластинка 13 (фиг. 2) выполнена из изотропного материала, например из стекла с известным показателем преломления n, и закреплена в оправе 14 так, что ее плоскость наклонена по отношению к оптической оси падающего пучка света на угол Ψ. Оправа 14 установлена в корпусе устройства 15 с возможностью ее разворота вокруг оптической оси пучка света. Корпус 15 содержит фиксатор 16 оправы, например в виде стопорного винта, и щечки 17.

Щечки 17 имеют пазы 18 и вписываются в фигуру в виде трехгранной призмы, продольная ось которой совпадает с осью цилиндра оправы 14 и равно удалена от всех трех граней призмы 19, 20, 21. Грани 19 и 20 составляют между собой прямой угол и соответственно углы -π/4 и +π/4 с третьей гранью 21.

Способ преобразования линейной поляризации на заданный угол осуществляется следующим образом.

Сформированный элементами 1-4 (фиг.1, а) параллельный линейно поляризованный монохроматический пучок света испытуемого поляриметра проходит наклоненную пластинку 13 устройства преобразования линейной поляризации 9, подвижный поляризатор 5 и воспринимается фотоприемником 10.

Обозначим угол между нормально 22 (фиг. 3) к плоскопараллельной пластинке 13 и падающим на пластинку лучом 23 через Ψ, тогда для угла β между нормалью 22 и преломленным лучом 24 в пластинке можно записать , где N_d - показатель преломления пластинки 13 в данном примере для линии D спектра, т.е. для рабочей длины волны λ_D = 589 мкм. Под таким же углом β к нормали 25 луч 24 падает на границу стекло-воздух, вторично преломляется под углом Ψ и в виде луча 26 строго параллельного лучу 23 выходит из пластинки 13. В общем случае величина преобразования угла плоскости поляризации пластинкой Δα связана с углом Ψ , углом β и углом разворота ее вокруг оптической оси ϕ относительно плоскости пропускания поляризатора 4 или линии стыка его частей 11, 12, следующей зависимостью:

Следовательно, если ϕ = 0, т.е. плоскость падения, в которой лежат лучи 23, 26 и нормали 22, 25 к пластинке, совмещена с вертикальной плоскостью и с плоскостью пропускания поляризатора 4 ( фиг. 1, а), то поляризованный свет содержит только параллельную компоненту, и при изменении угла наклона Ψ пластинки 13 величина преобразования Δα - 0, т.е. угол плоскости поляризации прошедшего света меняться не будет, а интенсивность света будет изменяться согласно кривой 37 (фиг. 4). Т.е., если азимут плоскости поляризации падающего на пластинку 13 света амплитудой А=1 совпадает с плоскостью падения OV (фиг. 5, а), то . Наличие коэффициента 2 перед скобками указывает на то, что эффект преломления при прохождении лучей происходит дважды при входе в пластинку и при выходе из нее.

Если пластинка 13 развернута вокруг падающего на нее пучка света на угол , то линейно поляризованный свет с амплитудой А по отношению к пластинке 13 будет в виде только перпендикулярной компоненты A_I и при изменении угла Ψ будет уменьшаться интенсивность прошедшей компоненты T_I согласно кривой 28 (фиг. 4), а величина преобразования т.е. азимут плоскости поляризации прошедшего T_I останется неизменным (фиг. 5,б). Если же пластина 13 развернута на угол , т. е. если плоскость падения с плоскостью поляризации подающего света составляет угол , то при изменении угла наклона Ψ пластинки от интенсивность компоненты T_II и T_I прошедшего света относительно разных между собой и неизменных компонент A_II, A_I будут изменяться согласно кривым 27, 28 (фиг. 4), суммарная интенсивность прошедшего света будет изменяться согласно кривой 29, а угол преобразования плоскости поляризации
,
что геометрически показано на фиг. 5, в, г. Зависимость Δα = f(Ψ,n) отображена кривой 30 на фиг. 4,
Если поверяемый поляриметр работает по методу симметричных углов (см. фиг. 1, б) т. е. если его поляризатор 4 состоит из двух примыкающих друг к другу встык поляризаторов 11, 12, плоскости поляризации которых составляют симметричные углы Θ, например относительно линии их раздела, то эффект преобразования линейной поляризации пластинкой 13 по восприятию оператором эквивалентен рассмотренному выше случаю. А именно, допустим угол разворота пластинки 13 вокруг оптической оси относительно линии стыка поляриметров 11, 12 ϕ =0, что соответствует углам разворота ϕ относительно плоскостей пропускания каждого из поляризаторов 11, 12 , а амплитуды A₁ и A₂ пропускания каждым из поляризаторов 11, 12 (фиг.1,б) равны между собой. Пусть плоскость падения света на пластинку 13 совпадает с линией раздела поляризаторов 11, 12 и с плоскостью OY (фиг. 5, д). Тогда амплитуды A₁ и A₂ раскладываются на компоненты по направлениям OX и OY и вследствии различий пропускания пластинкой компонент A_I и A_II, получаем компоненты T_I, T_II и их сумму T₁ и T₂, которые симметричные OY (симметричные линии раздела поляризаторов 11, 12). В свою очередь компоненты T₁ и T₂ в сумме эквивалентны амплитуде прошедшего света Т, с эквивалентной плоскостью пропускания, совпадающей с направлением OY, как в рассмотренном выше случае (фиг. 5, а). Следовательно, оператор воспринимает равные по яркости пучки света, прошедшие через поляризаторы 11, 12 (фиг. 1, б) и оставляет анализатор 5 в исходном (нулевом) положении, при котором он был до установки устройства 9 в пучок света проверяемого поляризатора.

Если пластинка 13 развернута относительно линии раздела поляризаторов 11, 12 на угол то симметрия прохождения обоих световых пучков через поляризаторы 11, 12 сохраняется (фиг. 5,е) и оператор также оставляет анализатор 5 (фиг. 1, б) в исходном нулевом) положении.

Если угол разворота пластинки 13 вокруг оптической оси относительно линии раздела поляризаторов 11, 12 , что относительно плоскостей пропускания каждым из поляризаторов 11, 12 соответствует углам , то после прохождения равных компонент A₁, A₂ (фиг. 5, ж, з) через пластинку 13 компоненты T_I и T_II оказываются не равными между собой, симметрия нарушается, их сумма эквивалентна амплитуде Т линейно поляризованного света, плоскость поляризации которого отличается от плоскости поляризации эквивалентного падающего света амплитудой А на угол .

В этом случае для достижения прежней симметрии прошедших через поляризатор пучков света оператору необходимо довернуть анализатор 5 (фиг. 1, б) в соответствующую сторону на угол Δα. Этим достигается эффект компенсации угла преобразования линейной поляризации Δα , осуществляемого предлагаемым устройством 9, а по лимбу 6 снимают отсчет измеренного поляриметром угла Δα и сличают его с награвированным на корпусе 15 устройства 9 значением Δα_эт.
Если лимб 6 поляризатора отградуирован не в углах, а в процентах сахара C_c% или глюкозы C_гл%, то на корпусе 15 контрольного устройства 9 наносят значения процентов сахара или глюкозы в соответствии с зависимостями или , где L - длина в дециметрах кюветы 8 поляризатора, который комплектуется предлагаемым контрольным устройством 9.

Следует отметить особо, что все кривые 31-33, показанные на фиг. 6 зависимостей Δα = f(Ψ,n,ϕ) для углов наклона Ψ₁,Ψ₂,Ψ₃ пластинки 13, в окрестностях значений аргумента -π/4 или +π/4 имеют малую крутизну, т.е. при значительных изменениях аргумента ϕ функция Δα изменяется на незначительную величину. Например, если Ψ = π/4, показатель преломления пластинки N_D= 1,5166, а угол разворота ее изменяют от ϕ = 0 до ϕ = ±π/4 и контролируют простейшими методами и грубо, т.е. с точностью ± 0,017 град, то и в этом случае погрешность преобразования угла Δα линейной поляризации будет высокой, т. е. не хуже ±0,0001·Δα_max= ±10^-5·0,0457 = 4,5·10^-6рад. Такая высокая точность преобразования угла линейной поляризации удовлетворяет самым жестким требованиям, предъявляемым к средствам поверки поляризаторов [2]. Это является особым и принципиальным отличием предлагаемого способа и устройства от известных способов. В связи с этим для осуществления предлагаемого способа достаточно выполнить следующие простые действия. Первоначально корпус 15 предлагаемого устройства 9 (фиг. 2) устанавливают на направляющие 7 плоскостью 21, наклоненную на угол Ψ пластинку 13 вместе с оправой 14 разворачивают вокруг падающего пучка света до такого положения плоскости падения света на пластинку 13, при котором показания испытуемого поляриметра равны нулю (точка 34 на фиг. 6), фиксируют такое положение пластинки 13 (фиг. 2) с оправкой 14 фиксатором 16, а затем в зависимости от требуемого направления преобразования линейной поляризации дополнительно поворачивают пластинку 13 вместе с корпусом 15 на угол π/4 или -π/4, т.е. перекладывают корпус 15 соответственно на плоскости 19 или 20. При этом величина преобразования угла плоскости поляризации Δα пластинкой 13 равна , где , что на фиг. 6 можно отобразить точками 35-37 или 38-40, соответствующими максимам кривых зависимостей Δα = f(Ψ,n,ϕ) . При этом не требуется особых приемов для обработки щечек корпуса 15 (фиг. 2),
Другим принципиальным отличием предлагаемого способа и устройства является невысокое требование его к степени монохроматичности. Пусть пластинка 13 выполнена из стекла К8, наклонена под углом Ψ = π/4, а рабочая длина волны пучка света поверяемого поляриметра λ_D = 589 нм ± 5 нм. Известно, что дисперсия показателя преломления стекла К8 в окрестности λ_D составляет нм^-1 . Следовательно, дисперсия угла преобразования линейной поляризации пластинкой = 4,3·10^-6 рад/нм. Это значит, что при изменении длины волны рабочего пучка света поверяемого поляриметра на величину ± 5 нм контрольная пластинка из стекла К8 преобразует линейную поляризацию с погрешностью ± 0,00123 град = 2,15·10^-5 рад. Для сравнения, если бы для поверки того же поляриметра применялась контрольная кристаллическая кварцевая пластинка толщиной 0, 12 мм, у которой 0,008 град·нм^-1 = 1,4·10^-4 рад/нм^-1, то при изменении длины волны света на ± 5 нм ошибка преобразования линейной поляризации кварцевой пластинкой была бы ± 0,043 град ± 7,5·10^-4 рад) т.е. в 35 раз больше, чем преобразование с помощью предлагаемого устройства.

Таким образом, предлагаемый способ преобразования линейной поляризации на заданный угол и устройство для его осуществления имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с известными. Основными из них являются простота изготовления и обслуживания, высокая прочность преобразования, некритичность к изменению спектра излучения. Перечисленные отличия позволяют решить проблему поверки простых дешевых поляриметров для измерения концентрации сахара в растворах типа "ПИКС", изготавливаемых ПО КОМЗ (г.Казань)я

Формула изобретения

1. Способ преобразования линейной поляризации на заданный угол Δα для поверки поляриметров, при котором в параллельный линейно поляризованный монохроматический пучок света испытуемого поляриметра вводят плоскопараллельную пластинку, отличающийся тем, что пластинку выполняют из изотропного материала с известным показателем преломления n, первоначально наклоняют пластинку в оправе на заранее заданный угол Ψ к падающему пучку света и разворачивают пластинку с оправой вокруг оптической оси испытуемого поляриметра до такого положения плоскости падения света на пластинку, при котором показания испытуемого поляриметра равны нулю, фиксируют такое положение пластинки с оправкой в корпусе, затем в зависимости от требуемого направления преобразования дополнительно поворачивают пластинку вокруг оптической оси испытуемого поляриметра на угол π/4 или -π/4, а величину преобразования угла плоскости поляризации пластинкой определяют по формуле

где
2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее плоскопараллельную пластинку из изотропного материала с известным показателем преломления в оправе, корпус с пазами для точной установки устройства на направляющих, которые параллельны оптической оси поверяемого поляриметра, отличающееся тем, что пластинка закреплена в оправе в виде цилиндра под углом Ψ к оси цилиндра, оправа установлена в корпусе, содержащем стопор и щечки, вписывающиеся в фигуру в виде трехгранной призмы, продольная ось которой совпадает в осью цилиндра оправы и равноудалена от всех граней призмы, причем две грани призмы составляют между собой прямой угол и соответственно углы -π/4 и +π/4 с третьей гранью.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6