Устройство для диагностики оптических активных сред

 

Оll ИСАЙКЕ

Севз Севетеммл

Соцмалистмчеааа

Рееиубамм (11) 521455

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВКДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 08.04.69 (21) 1324669/25 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) Опубликовано 15.07.76.Бюллетень № 26 (45) Дата опубликования описания 15.10.76 (51) М. Кл.к

G 01В 9/02

Гвщдврвтввв«вй «вмнвт

6««et« Мввввтрвв CCN вв джан вввбрвтвнив в вткрыт«й (53) УДК 535.4 (088.8 ) (72) Автор изобретения

О. Ф. Меньших (71) Заявитель (54) УСТРОЙСЯ О aS>a AVArHOCT KH

ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СРЕД

Изобретение относится к области физической оптики, квантовой радиоэлектроники и радиотехники и предназначено для высокочувствигельного и прецизионного анализа оптической активности малоактивных сред, а б также для получения количественной оценки малых приращений величины оптической активности Bemecrs под действием различных возмущений нреимущественно при проведении научно-экспериментальных лабораторных ис- 10 следований.

Удельное врацение плоскости поляризации линейно-поляризованного света в различных оптически прозрачных средах измеряют различными методами. 15

Иля этих измерений служат поляриметры и сахариметры, содержащие последовательно установленные поляризатор, кювету с исследуемой жидкостью (например, раствором сахара, камфоры, кокаина, никотина и -,.д,), 20 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 имеют равную освещенность. Устройство такого рода состоит из призмы Николя с удаленной центральной частью в виде клина (прпзма Корню); обе половинки соединяют вместе, их главные пл кости составляют малый угол, называемый полу невым углом. Если пучок поляризованного света падает на эту призму таким образом, чro плоскость поляризации делит пополам полутеневой угол, то обе половинки поля зрения будут освещены одинаково. Человеческий глаз очень чувствителен к небольшим различиям в освещенности двух рядом расположенных полей, если пх освещенность не очень мала. Если равенство освешенносгей полей сахаримегра достигается путем совмещения биссектрисы полутеневого угла с плоскостью поляризации падающего на призму света, го поворот призмы на половину полугеневого угла or этого положения приводит к полному затемнению одной из половин поля. Таким образом, поворот призмы

522.4. 5

Погрешность измерения угла вращения описанным методом складывается из погрешностей различных звеньев прибора: рвзноквнальности дифференциального фотометрв, дрейфа нуля в усилителе постоянного гока, люфра в редукторе, момента трения у сервомогора, погрешности отсчета по шкале и нестабильности питающих источников. Кроме гого, дисперсионные явления исключают работу прибора при использовании немонохроматических источников. Проведенные исследования влия- 9 ния ширины и распределения спектра источника света, аппаратной функции монохроматора и вращательной дисперсии исследуемого образца нв результат измерения угла вра;щения плоскости поляризации для трех мето- И дов объективной поляриметрии — метода полного гашения, метода симметричного угла и метода полутеневого угла — показатели, что современные фотоэлектронные спектрополяриметры обладают чувстви1ельностью порядка 69 на малый угол вызывает очень большие изменения в относительной освещенности двух полей, и следовательно, можно достичь увеличения точности измерений.

Дальнейшее совершенствование приборов такого рода осуществляют, путем использо-; вания дифференциальных фотометров, регистрирующих различия в освешенностях полей. сахвриметра. Для автоматизации процесса измерения удельного вращения используют Ю фарадеевские врашатели, служащие для модуляции угла вращения плоскости поляризации под действием приложенного к ячейке

Фарадея переменного магнитного поля от источника переменного опорного напряжения. и

При этом на выходе дифференциального фо= тометрв возникает переменное напряжение, амплитуда и начальная фаза которого несет информацию об отклонении анализатора от его углового положения, соответствующего щ точному отсчету. Для анализа этого отклонения применяют фвзочувствительный выпрямитель, на входы которого подают опорное напряжение и сигнал с выхода дифференциального фотометра. При этом на выходе та- ф5 кого фазочувствительного выпрямителя образуется постоянное напряжение, величина которого пропорциональна величине отклонения анализатора от его истинного положения, а знак указывает на направление углового 36 отклонения. С помощью следящей системы (усилителя постоянного тока, сервомотора и редуктора с люфтовыбирающими приспособлениями) можно автоматически осуществлять установку анализатора под действием сигнал- 35 ла с выхода фаэочувствительного выпрямителя, а отсчет производить по шкале прибора, связанной с корпусом анализатора.

4 нескольких десятичных долей кругового грва в дуса. Точность соответствующих измерений не превосходит 1%.

Указанные значения чувствительности и точности современных поляриметрических приборов в значительной мере не удовлетво ряют потребностям совремейного физйческого научного эксперимента, ставящего своей целью исследование эффектов взвимОдействия электромагнитного поля света с: ешеством, оптическая активность которого подвергаетн ся изменению действием на вещество физических факторов различного происхождения (например, при исследовании вращательного электродинамического эффекта) .

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

Ф

Это достигается тем, что в предлагаемом устройстве выход квантового рециркулятора, образованного кольцевым включением полупрозрачного отражателя, компенса.ционного элемента, исследуемой среды, оггтического 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 рециркуля тора.

Ф

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 фото электронного преобразователя связан с выходом квантового рециркулятора непосредственно, а вход второго — через аиализатор поляризации; выход первого фотоэлектроннс

ro преобразователя подключен нв вход первой дорожки устройства магнитной записи

В и на один иэ входов схемы совпадений, а выход второго фотоэлектронного преобразо- . вателя подключен через пороговую схему на другой вход схемы совпадений причем выход последней подключен на вход второй дорожки устройства магнитной записи.

Кроме гого, предлагаемое устройство отличается тем, что в нем анализатор поляризации представляет собой преобразованный интерферометр Мвйкальсона, настроенный н» гашение све та в центре интерференционной картины, в оптических ветвях которого уста-521455 новлены поляризационные элементы, например призмы Николя, главные плоскости поляризации которых повернуты относительно главной плоскости поляризатора источника ,пробного линейно-поляризованного импульс ного пучка когерентного света на углы 45О, сосгветственно в неллевленннн лревого н леввго н yrca.

На чертеже изображена блок-схема предлагаемorо устройства.

Устройство состоит из трех взаимно связанных частей: квантового рециркулятора с

,исследуемой средой, источника пробного ли1 1нейно-поляризованного импульсного пучка когерентного света и блока анализа времяполяризационной характеристики квантового рециркулятора с долговременным запоминающим устройством, Квантовый рециркулятор содержит соединенные оптически в петлю обратной связи р полупрозрачный отражатель 1 с большим кс эффициентом отражения и малым пропусканием, компенсационный элемент 2, исследуемую среду 3 (кювета с исследуемой жид/ костью, газом или образец твердого тела) р с источником стороннего возмущения 4, оптический квантовый усилитель 5 с источником накачки 6 непрерывного действия, зеркапо 7 и оптическую линию задержки 8, образованную удаленными от основной части Э> квантового рециркулятора зеркалами 9 и 10, Оптически ортогональные вход и выход квантового рециркулятора образованы полупрозрачным отража гелем 1.

Источник пробного линейно-поляризованного импульсного пучка когерентного света состоит из оптического квантового генератора в режиме модулированной добротности (на основе вращающейся призмы), активного или пассивного затворов 11 с источни- 40 ком накачки 12 и поляризатора 1.3. Источник вырабатывает одиночный импульс света, длительность которого существенно меньше времени запаздывания в цепи обратной связи кван тов ОГО ре циркуля тОр а ° 45

Блок анализа время-поляризациониой характеристики квантового рециркулятора содержит два фотоэлектронных преобразователя 14 и 15, например фотоэлектронных умножителя, первый из которых оптически связан через час- 50 тично отражающую наклонно установленную прозрачную пластинку 16 с выходом кван,тового рециркулятора, а второй связан с

) квантовым рециркулятором через анализатор поляризации. Последний представляет собой интерферометр Майкельсона, собранный на полупрозрачном зеркале 17 с равными коэффициентами Отражения и пропускация, зеркалах 18 и 19, компенсирующей пластине 20 и диафрагме 21, ограничивающей поле интерференционной картины внр ее центр причем в оптических ветвях интерферометра установлены поляризационные элементы, например призмы Николя или дихроические пленки 22 и 23, главные плоскости поляризации

O которых развернуты относительно главной плоскости поляризатора 13 на углы 45О соответственно в направлении правого и левого кругов. Кроме того, блок анализ вклюЧаЕт СОЕДИНЕННУЮ С ВЫХОДОМ ВтОГг13ГО фОтОэлектронного преобразователя 15 пороговую схему 24 (ограничитель по минимуму), схему совпадений 25, первый вход которой подключен к выходу пороговой схемы, и широкополосное двухдорожечное устройство маг нитной записи 26 (видеомагнитофон), первый запи.ываюший вход которого подключен к выходу первого фотоэлектронного преобразователя 14 и является каналом меток времени (синхроимпульсов), а второй записывающий вход связан с выходом схемы совпадений и является каналом меток периодически следующих время-полягризационных групп импульсов.

Для начальной настройки прибора используется малопрозрачный экран 27, ослабляющий интенсивность светового потока с выхода квантового рециркулятора. При этом производится настройка анализатора поляризации по однократным импульсам оптического квантового генератора, непосредственно отражаемым or 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 4 и, плоскость поляризации которого определяется поляризатором 1 3 и обозначается углом 1г" о

Большая часть энергии светового импульса отражается or полупрозрачного Отражателя 1 в сторону блока анализа время-поляриза ционной характеристики квантового рециркулятора и после воздействия на фотоэлектронный преобразователь 14 приводит к соотг ветствуюшей исходной отметке времени на первой магнитной дорожке видеомагнитофона 26. Меньшая часть энергии пробного импульса проходит через полупрозрачный отражатель 1 с малым пропусканием, при этом цуг вол«пробного импульса многократно обходит контур петли обратной связи xI3II«rolio го рециркулятора, зондиру я всякий раз помещенную в последнем исследуемую оптически активную среду. 13 отсутствие оптического квантового усилителя 5 в составе кг311«то13оГО рецецзкул11тора IIorop« 11иркул«рую1«еt Î В не М ну г а в Ол! 1 f (EI 11 О Г л 01це и 11е 13 «с с л1 игу 1. I o tI среде, О11т«1еской 11«11«11;Задержи«, ко««к «

521455 сационном элементе, на частичную расходиMocTb луча, на отражение в зеркалах и на частичн<ж пропускание полупрозрачного отражателя 1 привели бы к быстрому затуханию цуга, а число актов взаимодействия пробного пучка света с исследуемой средой было бы невелико. Поэтому для компенсации всех указанных потерь применяется оптическии квантовый усилитель 5 непрерывного деиствия, настроенный на частоту несуших ксi- о лебаний пробного импульса caera, Коэффициент усиления в оптическом усилителе 5 может быть взят большим обФ ратной величины коэффициента передачи квантового рециркулятора в отсутствие усилителя.д

Эго приведет к стабилизации уровня циркулиР уюшего в рециркуляторе цуга. Для того, чтобы цуг волн воздействовал на оптический квантовый усилитель всякий раз как отдельный импульс, необходимо выбрать время за- рр держки в оптической линии задержки 8 много большим длительности пробного импульса С " и. При этом в рециркуляторе будут оч сутствовать явления наложения световых потоков, в паузах между импульсами циркуля- 25 ции состояние оптического квантового усилителя будет восстанавливаться до исходного, ф а сам рециркулятор будет работать в жесч ком режиме возбуждения.

Восстановление свойств оптического кван- 30 тового усилителя в паузах между смежными импульсами света необходимо, в частности, для реализации фундаментального свойства квантовых систем-сохранения состояния поляризации в выходном световом (усиленном) 35 потоке по сравнению с состоянием поляризации светового сигнала„поданного на вход квантового усилителя.

Нетрудно понять, что вращение плоскости поляризации света в исследуемой оптически @ активной среде 3 приведет к дискретным пепиоди .еским сдвигам (в одном и том же направлении) плоскости поляризации в циркулирующем импульсном световом потоке. Так, 45 если при однократном прохождении лннеинс поляризованного светового импульса с ис™ кодной плоскостью поляризации 9о через исследуемую среду 3 плоскость поляризации вышедшего иэ этой среды света поворачивается на малый угол «-, то при учете, что за каждый акт циркуляции на выходе квантового репиркулятора с выхода полупрозрачного отражателя 1 возникает импульс света, состояние поляризации указанной выходной

55 светоимпульсной последовательности описывается очевидной дискретной по времени функ1 цне„- .. г 1 = о-" = - 1с1

1, 2..., n — номер циркуляции, Е. — текущее время; à — период следования выход- 60 ных импульсов рециркулятора, равный времени задержки в оптической линии 8 (учитываюшей задержку во всей петле рециркулятора); знак плюс или минус определяются направлением вращения плоскости поляризации света в исследуемой среде 3; символ вt означает целую часть от аргумента å

Следовательно, на выходе квантового рециркулятора при подаче на его вход однократного пробного линейно поляризационного импульса образуется периодическая последовательность квазистационарных импульсов света с дискретно и монотонно иэменяюшейся поляризацией. Каждый из этих импульсов вызывает соответствующие временные отметки на первой записываюшей дорожке устройства магнитной записи 26 после воздейсжия на фотоэлектронный преобразс ватель 14. Поскольку первый импульс записи при 4 =0 (< =О) поступает на фотоэлектронный преобразователь 14 непосредственно от источника пробного пульса, претерпев одно отражение от хорошо огражаюшего полупрозрачного отражателя 1, то он является более мошным, чем импульсы рециркуляции (для l =1, 2, 3). Это обеспечивает надежную привязку за описываемой на второй дорожке (синхронно) полезной информации о величине оптической активности исследуемой среды к моменту времени, соответствуюшему началу отсчета (4 =О).

Основная доля энергии последовательности выходных световых импульсов квантового рециркулятора воздействует на фотоэлектронный преобразователь 15 через анализатор поляризации.

Иля увеличения крутизны характеристики непропускания анализатора поляризации вблизи углов поляризации подаюшего света, соответствующих гашению света на выходе анализатора поляризации, схема последнего построена на базе преобразованного интерферометра Майкельсона, в оптических ветвях которого установлены поляриэационные элементы (например, призмы Николя) 22 и

23, главные плоскости поляризации которых характеризугстся соответственно углами К

9 =9 — ИЧ =Ч вЂ”вЂ” о о os о д.

Николя являются при этом скрещенными одна по отношению к другой. При разности хода интерферирующих лучей A составляюшей нечетное число полуволн световых колебаний Ь= (2К+1), где Х " 0,1,2...

2. Ро целое число м — частота несущих коле° о баний света, интенсивность светового потока в центре интерференционной каргины, выде521455

9 ой с помощью диа агмы 21, может определяемым среднеквадратичным уровнем а Е О фегоенентронного нреоораа вателя 15 и задаваемым отношением полезД H>P3qq ып (2d Х t t: Ц ный сигнал-шум, то есть

5 тт и./ — т где P — - коэффициент потерь; 30„ — интен- ЦогР =РЪ Е З сивность света на выход ре р о е квантового рецирТогда на выходе пороговой схемы возникакулятора для l ой циркуляц ляцни. ет периодическая последовательность имПолагая фотоэлектронный ре р нный и об азователь пульсов о периодически повторяющимися

10 пропусками групп импульсов, амплитуды коем иметь последовательность электрических импульсов длиторых ниже порогового уровня Ц, Цдр Те тельностью и (без учет без учета явлений дисиз импульсов, амплитуды которых выше поперсии в квантовом рециркуляторе ), сперогового уровня О i 0 Uöàð усиливаются и риодом следования ле ования и амплитудой, изменормализуются по амплитуде В формирующем

15 усилителе пороговой схемы 24, поэтому чисо..=чсмт3 п 1 ло N просто определяется числом пропусков групп импульсов В записи на второй маггде цо - наибольшая амплитуда В импульс нитной дорожке магнитофона 26. для повыной последовательности с =1,2, 3...; V(t) щения помехоустойчивости импульсы записи функция определения амплитуд импульсов N на вторую дорожку подаются через схему в выходной последовательности фото--электрон совпадений. При этом исключаются ложные

Horo преобразователя 15, определяемая про записи or помех и синхронизируется запись цессами установления квазистационарного импульсных последовательностей на обеих режима в квантовом рзциркулягОРе (a записывающих дорожках магнитофона (схема ционарного процесса функция - (<) 5 совпадений 25 при этом осуществляет оптипостоянный множитель) ° мальную обработку полезной записываемой

ItK информации) .

Число записей на первой магнитной до=0, 1,2... и р причем Й ичем К +1 — полное чисрожке D соответству ощее найденному значению N "нулевых" (пропущенных) меток на выходе фотоэлектронного преобразо ате азователя 15 за время анагрупп импульсов, может быть уточнено пуи к. ли ующего светоимпульстем определения центра И -ой нулевой" монотонно-с: тупенчатым измегруппы Для этого достаточно Взять с е

Рифмеги Вух "=4,-(" чика х — число циркуляц ". p л ий п обного имЗ5 где a* — число импульсов, записанных где пульса в квантовом рец рку p . на первой дорожке и приходящихся на начаОпределение искомого у р

;. о о гла в ащения A ло И -ой нулевой" группы (по отметкам плоскости поляризации света при однократна второ дорожке); „ — ч,; л о импульном прохожденли его чере.

»: е о че з исследуемое весов, записанных на первой дорожке и прищество при згом сводится ру г . игся к выбору такого г, ходящихся на конец Й -ой нулевой группы

+/ (также по отметкам Второй до»рсжкл). Оченализа Ь <, ll к топ<,;- с -;.:испо актОВ цир уляц в ци к ляпни и = 4t /t видно, что точность в определении центра определяет отношение исе т / ..ет - ше ие чисел И /И как цеN -ой "нулевой" группы увеличивается прп лор. число, . к по ледукип у

° О, и после |нему подсчету за снижении числа импульсов в группе, цля чеВР- 5f- чисел и и " 45 го сле,ует Выбирать уровень ограниения В для у "" " " окончательно "меем ЫР пороговой схеме 24 существенно низким по

iь . ю1е

СРаВНЕНИЮ С аМПЛИГУДОй ИМПУЛЬСОВ В МаКСИмуме, то есть Uozp + о При этом предель»й,. = KN jR. га. ная точность отсчета угла oL определяет® ся лишь уровнем шума фотоэлектронного пре1 еализации Условии целочисленности о образователя 15 а также числом циркуляций

НОШЕНИЯ и / N И ПОДСЧЕТ СООтВЕт»:аВУЮЩИХ . Так, при учете только числа циркуляыть Ос и® ций г1 относительная погрешность измере+ опоставле и м Ре-Ул гатов Двух синхрон ция угла вращения о имеет вид В(= f/2ï"

55Для определения влияния шума фогоэлекгронмагнигофоне 28. Для повышения надежности ного преобразователя 15 на точность отсчета угла K необходимо задаться законом тоэлектронного преобРазователЯ 5 подае распределения шумового сигнала и полосой ся на пороговую схему 24 (ограничитель пропускания канала записи а заге», „айти по минимУмУ) с порогом огРаничениЯ U P среднее число выбросов шума в единицу вре521455

12 среде) на угол, равный исходному угл вра- . ,щения плоскости поляризации в исйледуемои 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 правоврашающего кварца, а в качестве исследуемой среды — пластину левоврйщающего кварца, так что в исходном сОстоянии вращение плоскости поляризации в квантовом рециркуляторе практически не обнаруживается, Затем воздействовать каким-либо возмущением на исследуемую среду — левовращающую пластину кварца — и оценить величину появившейся дополнительной, искусственно инициируемой оптической активности в среде 3 йовйшеописанной методике, как для исследования малоактивных сред, Если точная компенсация исходного значения -оптической активности исследуемой среды затруднена, ro для определения компоненты оптической активности исследуемой среды, обязанной возмущению последней, необходимо произвести два замера: один — для определения угла вращения Ы совокупности компенсационного элемента 2 и невозмущенной среды 3, а другой . — для определения угла вращения d < той же совокупности, но при наложении на среду 3 возмущения. При этом дополнительный угол вращения с ., связанный с возмущением среды 3, определится из простого выражения < = Ф- - о 1. дени, амплитуды которых. превышают заданный пороговый уровень Уц р и, оценить вероятность совпадения моментов йоявления этих выбросов и моментов записи импульсов по первой дорожке (поскольку на второй доурожке записываются только совпадающие по времени импульсы с импульсами, записываемыми на первой дорожке). Кроме гого, следует учитывать совпадения не для всех вы, 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 выбросов, которые дают непрерывную запись на второй дорожке до того, как в действительности оканчивается Й -ая "нулевая" группа. Вероятность таких совместных событий ничтожно мала, поэтому для не очень большего числа П (до нескольких десятков ты

+ сяч) можно считать, что погрешность в измерении угла вращения о - практически целиком определяется числом учитываемых циркуляций и пробного импульса, Ф

Таким образом, измеряемый угол вращения плоскости поляризации аС. для исследуеi.мой среды 3 при ее однократном проходе определяется иэ неравенства

7С N K N — аБ К%

211 +i 2п -1 Ь %

Полагая n ) i и оптическую длину среды 3 равной L, легко вычислйть величину. ,удельного вращения среды в виде

X. TCN/2n L

На,основе предложенного устройства можно 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 возмущения величины оптической активности

45 оптически активных сред со средней и даже высокой оптической активностью. Однако для компенсации начальной (до возмущения) величины оптической активности этих сред следует применять дополнительные компенсаци50 онные элементы (2), обладающие оптичес;кой активностью с обратным направлением вращения плоскости поляризации (по отношению к направлению вращения в исследуемой

Формула и зоб ре те и ия

Устройство для диагностики оптически активных сред, содержа цее поляризатор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерения оптической активности в малоактивных средах, а также регистрации малых изменений оптической активности сред, возмущаемых 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. вхдд квантового рециркулитора связан с источником линейно поляризованного импульсного пучка когерентного света, а выход — с блоком анализа время-поляризационной характеристики квантового рециркулятора.

521455

Составитель В. Зверев

Редактор И. Шубина Техред ° А- богдан Корректор Т. Кравченко

Заказ 4082/534 Тираж 864 Подписное

КНИИПИ 1 осударственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r Ужгород, ул. Проектная, 4