Двухлучевой магнитооптический спектрометр

 

Двухлучевой магнитооптический спектрометр [28] создавался для исследования недиагональной высокочастотной проводимости массивных металлических образцов с помощью эффекта при температурах от комнатной до 60 К [11].

Конструктивные особенности спектрометра в значительной степени определялись поставленной выше задачей. Здесь мы уделим несколько строк первоначальному «криостатно-отражательному» варианту спектрометра, представляющему самостоятельный интерес.

Оптическая схема спектрометра строилась, исходя из условия, требующего, чтобы угол падения света на образец, находящийся внутри вакуумного криогенного устройства в магнитном поле, можно было дискретно изменять в пределах 0-80° одним поворотом криостата без дополнительной перестройки оптических элементов спектрометра. На рис.4 схематически представлен разрез магнитооптического криостата по плоскости падения света. Сердечник рабочего электромагнита (1) вварен в стенку заливаемого жидким азотом сосуда (2) так, что его обмотка (3) «купается» в азоте, а полюсные наконечники находятся в вакууме (4). Образец (5) образует единую магнитную цепь с сердечником электромагнита и расположен в радиальной плоскости криостата. Установленное рядом алюминированное зеркало (6) образует с плоскостью образца двухгранный угол, ребре которого совпадает с осью вращения криостата. Величана, двухгранного угла j = 86° такова, что луч света поворачивается в обратном направлении и выходит из криостата через то же самое окно (7) под небольшим углом к входящему пучку. Криостат установлен на поворотном углоизмерительном устройстве (8), которое позволяет устанавливать углы падения света на образец с точностью Δj ~ .

Для измерения экваториальных эффектов в прошедшем свете вместо криостата устанавливается система (рис. 5) из неподвижного двузеркального отражателя (1) и гониометра (2), на котором смонтировано намагничивающее устройство (3) с образцом (4), причем ось вращения гониометра лежит в плоскости образца.

 

 

 

Рис.4. Разрез магнитооптического криостата по плоскости падения света

 

 

Рис. 5. Оптическая схема приставки для измерений эффектов в проходящем свете

 

 

Рис. 6. Блок-схема двухлучевого магнитооптического спектрометра

Рассмотрим в целом блок-схему двухлучевого магнитооптического спектрометра (рис. 6). Главной особенностью оптической схемы спектрометра является то, что образец с устройствами намагничивания, поворота, охлаждения и т.д., вынесен относительно остальной оптической части наружу. Это позволяет сочетать хорошую светоизоляцию модулирующего и фотоприемного устройства с удобством в настройке образца и прочих операциях с ним. Зеркальное исполнение спектрометра исключает эффекты хроматического характера.

В качестве источников света (l) используются лампы КГМ 12- 100 (λ = 3200 - 320 нм) и ДДС-30 (λ = 350 - 200 нм), которые имеют стандартные источники питания. Пройдя через зеркальный монохроматор SPM - 2 (2), свет фокусируется в плоскости колебаний модулятора-светоделителя рефлекторного типа (3), представляющего собой камертон, на одну ножку которого прикреплено плоское зеркало. Для балансировки камертона на другой его ножке крепится регулируемый груз. Камертон приводится в режим автоколебаний катушками возбуждения при помощи усилителя, включенного в цепь обратной связи (между катушками). Амплитуда колебаний может изменяться регулированием мощности, поступающей в катушку возбуждения. Транзисторный усилитель в цепи обратной связи работает в режиме ограничения. Таким образом, нестабильность амплитуды колебаний камертона определяется в основном нестабильностью источника питания. Характерные значения амплитуды 4 - 6 мм (при изменении напряжения питания от 3 до 8 В). Частота камертона подбиралась равной 138 Гц. Из периодического сигнала цепи обратной связи камертонного автогенератора формируется сигнал в виде меандра с регулируемой фазой. Этот сигнал используется для управления ключами в схеме обработки электрического сигнала фотоприемника.

Получаемые после модулятора-светоделителя противофазно модулированные световые пучки попадают в рабочий канал и канал сравнения. В рабочем канале световой пучок проходит через систему оптически связанных элементов: коллимирующее зеркало - поворотное плоское зеркало - поляризационная призма Глана (4) - образец в намагничивающем устройстве (5) - уголковый отражатель (6). После этого пучок фокусируется на светочувствительную площадку фотоприемника (8). В спектрометре используются фотоумножители ФЭУ-39, ФЭУ-83 и фотосопротивление, охлаждаемое жидким азотом (ФСВ-19АА).

Пучок канала сравнения, пройдя через теневой компенсатор интенсивностей света в каналах (7), фокусируется на том же месте светочувствительной площадки фотоприемника. Положением заслонки компенсатора, расположенной в плоскости максимального диаметра пучка сравнения, управляет через понижающий редуктор реверсивный двигатель постоянного тока ДПМ-30, который подключен к блоку автокомпенсации.

Модулятор - светоделитель, кроме указанных выше функций осуществляет также так называемое «оптически мертвое время». В этот промежуток времени излучение поглощается на модуляторе и не попадает ни в один из каналов, а, следовательно, и на фотоприемник. Результирующий электрический сигнал фотоприемника показан на рис. 7. Уровень U_T связав с отличным от нуля темновым сигналом фотоприемника и зависит как от типа фотоприемника, так и от способа его включения. Для дальнейшей обработки исходного электрического сигнала необходимо исключить из его постоянной составляющей величину U_T, получив, таким образом, соответствие величин U_c и U_p уровням интенсивности света в каналах.

 

Рис.7. Электрический сигнал фотоприемника

 

Измерительная часть спектрометра представляет собой узкополосную фазочувствительную электронную схему, которая позволяет регистрировать относительное приращение интенсивности света в рабочем канале ΔJ/J. Переменная составляющая электрического сигнала фотоприемника (рис.7) поступает на каскадно включенные усилители (9, 10, 11). Последовательно с ними включена схема (12), привязывающая уровень, соответствующий «оптически мертвому времени», к электрическому нулю схемы.

Для улучшения соотношения сигнал / шум и формирования сигнала в виде меандра с амплитудой, пропорциональной величине ΔU = U_p – U_c, сигнал с выхода усилителя (11) поступает на схему синхронного интегрирования [39]. Два параллельных синхронных интегратора (А и В) с ключами на полевых транзисторах имеют разные постоянные времени , . Выходной сигнал интегратора (А) детектируется и подается на вход блока автоматической компенсации. Этот блок представляет собой дифференциальный усилитель постоянного тока с выходным током до 5 А. Усилитель нагружен реверсивным двигателем ДПМ - 30, который управляет положением заслонки компенсатора интенсивностей в каналах. В цепь отрицательной обратной связи этого усилителя включена обмотка второго двигателя ДПМ-30, установленного на одном валу с первым, что обеспечивает высокую скорость и точность при балансировке каналов. Соединение блока автокомпенсации с коммутатором тока в электромагните, работающем на частотах = 0,05 - 1 Гц, позволяет производить балансировку уровней U_c и U_p в конце каждого цикла перемагничивания образца.

Выходной сигнал синхронного интегратора B, который используется как гребенчатый фильтр нечетных гармоник, подается на селективный усилитель У2 - 8, отрезающий гармоники выше первой, и затем через преобразователь B9 - 1 поступает на самописец КСП - 4.

Уровень напряжения, соответствующий U_c, с одной из емкостей синхронного интегратора (А), поступает на вход усилителя автоматической регулировки усиления (АРУ), где он сравнивается с некоторым, устанавливаемым вручную, напряжением от опорного источника повышенной стабильности. Выходной сигнал рассогласования усилителя АРУ регулирует в пределах 60 дб с помощью фоторезистивных оптронов ОЭП - 2 коэффициент передачи каскадно включенных усилителей (9, 10, 11). Таким образом, сигнал U_c поддерживается на постоянном уровне, что позволяет существенно ослабить, отрицательное действие нестабильностей, возникающих по вине источника света, оптической части спектрометра, а также собственно измерительной системы.

Кроме того, поддержание неизменным уровня U_c с помощью АРУ и периодическая балансировка каналов при соответствующей калибровке электрического тракта обеспечивает выход разности ΔU = U_p – U_c (за счет МОЭ) в нормированном виде. Калибровка проводится следующим образом. Производится балансировка каналов, т.е. ΔU = 0. С помощью калиброванного аттенюатора коэффициент передачи электрического тракта уменьшается в 10³ раз. Затем перекрывается рабочий канал т.е. имеет место 100% раскомпенсация спектрометра. Ручной регулировкой коэффициента передачи устанавливается отброс пера самописца, равный 100 мм. После отключения аттенюатора отброс пера самописца на 10 мм соответствует эффекту . Использование АРУ совместно с системой автобалансировки позволяет осуществлять запись магнитооптического эффекта в режиме непрерывной развертки спектра.

 

Рис. 6. Спектр экваториальных - эффекта поликристаллического Gd.

(, T = 80 K).

В качестве примера, демонстрирующего возможности спектрометра, на рис. 8. приведен спектр экваториального эффекта Керра, полученного на поликристаллическом образце Gd при температуре жидкого азота.

В заключение следует отметить, что двухлучевой спектрометр подобной конструкции может быть использован для решения ряда других оптических задач.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: