Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Глава 15 поляризационные измерения

Глава 15 ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Состояние поляризации оптического излучения, прошедшего сквозь образец исследуемого вещества или материала, содержит много полезной аналитической информации о его свойствах. Особенно информативными являются параметры поляризованного излучения на выходе образца, характеризующие изменение положения плоскости преимущественных колебаний (угла вращения плоскости поляризации), параметры эллиптичности, степень дихроичного поглощения излучения веществом.

Физические основы, методы и средства поляризационных измерений были в свое время достаточно подробно освещены в давно опубликованных малотиражных монографиях Е. А. Волковой, а также А. И. Ванюрихина и В. П. Гер-чановской, едва ли доступных нынешнему читателю. В более поздней книге проф. В. Н. Снопко [77] на современном уровне описаны поляризационные характеристики оптического излучения и методы их измерения. Вместе с тем, в упомянутых работах не рассмотрены ни современные средства технических измерений поляризационных характеристик, ни вопросы, касающиеся обеспечения единства поляризационных измерений. В [3] изложены основы поляризационной лазерометрии, базирующиеся на международных рекомендациях в части основных терминов и определений, а также методик выполнения измерений поляризационных параметров и характеристик лазерного излучения.

Однако особую привлекательность для потребителя, интересующегося структурными и физико-химическими свойствами веществ и материалов, представляют поляризационные измерения с использованием некогерентного оптического излучения различной степени поляризованности.

Вышедший более 20 лет назад отечественный стандарт [78] регламентировал лишь методы и средства поляриметрии, т. е. определения оптической активности веществ и материалов. В этом документе основное внимание уделялось поляриметрам — приборам, служащим для измерения угла поворота плоскости поляризации. Позднее появились рекомендации МКО [79], касающиеся терминов и определений в области поляризационных измерений, не претерпевшие существенных изменений до настоящего времени.

Достаточно подробно поляризационные измерения свойств веществ и материалов описаны в монографии [6], откуда преимущественно и заимствовано содержание настоящей главы.

15. 1. Основные понятия, термины и определения

Поляризацией света называется выделение поляризованного света из естественного или частично поляризованного.

Примечание. Поляризация является фундаментальным свойством, типичным именно для поперечных колебаний. Обычно рассматриваются колебания электрического вектора.

По состоянию (типу) поляризации излучение принято делить на:

· естественное;

· линейно поляризованное;

· поляризованное по кругу (циркулярно поляризованное);

· эллиптически поляризованное;

· смесь естественного и линейно поляризованного;

· смесь естественного и циркулярно поляризованного;

· смесь естественного и эллиптически поляризованного.

Последние три состояния объединяют названием «частично поляризованное излучение».

Направлением колебаний считается направление вектора напряженности электрического поля (электрического вектора электромагнитной волны).

Плоскостью колебаний (плоскостью преимущественных колебаний) называется плоскость, содержащая электрический вектор и направление распространения электромагнитного излучения.

В литературе часто встречается эквивалентный термин «плоскость поляризации».

Под эллиптичностью b/а (поляризованного по эллипсу излучения) подразумевается отношение малой 6 и большой а (главной) полуосей эллипса.

Примечание. Эллипс описывается движением конца вектора напряженности электрического поля в плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения.

Углом эллиптичности ε называется угол, тангенс которого равен эллиптичности, т. е. .

Примечание. Угол ε ограничен пределами . При излучение становится циркулярно поляризованным, а при ε = 0 —

линейно поляризованным.

Азимутом Φ именуется угол между главной осью эллипса в данный момент и опорной (референтной) осью, перпендикулярной направлению распространения излучения.

Параметрами Стокса именуются четыре вещественных величины одинаковой размерности (их единицей служит ватт), полностью описывающие состояние поляризации монохроматического или квазимонохроматического излучения. Совокупность четырех параметров ,

Рис. 15. 1. Эллипс с углами Φ и ε

, и называется вектором Стокса и дает полное описание не только состояния поляризации, но и мощности пучка.

Первый параметр отображает суммарную мощность пучка и является ее мерой. Следовательно, . Наиболее общим состоянием поляризации компоненты с мощностью Sp считается эллиптическое, а отношение ρ = Sp/So именуется степенью поляризации пучка.

Для полного описания этой компоненты пучка необходимо знать Φ и ε (рис. 15. 1).

Дополнительное описание поляризованной компоненты дают три остальных параметра Стокса:

В итоге вектор Стокса можно представить в виде функции четырех аргументов: Ρ, ρ, Φ и ε, τ. е.

S = Ρ [1, ρ cos (2Ф) cos (2ε ), ρ sin (2Φ ) cos (2ε ), ρ sin (2ε )],

ί и наоборот:

Таким образом, предварительно можно констатировать, что для полного описания состояния поляризации пучка лазерного излучения необходимо выполнить, по крайней мере, четыре независимых измерения.

Для количественного определения состояний поляризации и родственных ей эффектов, приводящих к изменению этих состояний (оптическая активность, дихроизм, двойное лучепреломление), применяются соответствующие СИ, в состав которых входят специфичные оптические элементы. Поэтому продолжим ознакомление с основными терминами и определениями в области поляризационных измерПо состоянию (типу) поляризации излучение принято делить на:

· естественное;

· линейно поляризованное;

· поляризованное по кругу (циркулярно поляризованное);

· эллиптически поляризованное;

· смесь естественного и линейно поляризованного;

· смесь естественного и циркулярно поляризованного;

· смесь естественного и эллиптически поляризованного.

Последние три состояния объединяют названием «частично поляризованное излучение».

В литературе часто встречается эквивалентный термин «плоскость поляризации».

Под эллиптичностью Ь/а (поляризованного по эллипсу излучения) подразумевается отношение малой 6 и большой а (главной) полуосей эллипса.

Углом эллиптичности ε называется угол, тангенс которого равен эллиптичности, т. е. tge = b/a.

Примечание. Угол ε ограничен пределами — 45° ^ ε ^ 45°. При ε = = ±45° излучение становится циркулярно поляризованным, а при ε = 0 —

линейно поляризованным.

Рис. 15. 1. Эллипс с углами Φ и ε

5ι, 52 и Ss называется вектором Стокса и дает полное описание не только состояния поляризации, но и мощности пучка.

Первый параметр SO отображает суммарную мощность пучка и является ее мерой. Следовательно, So > 0. Наиболее общим состоянием поляризации компоненты с мощностью Sp считается эллиптическое, а отношение ρ = Sp/So именуется степенью поляризации пучка.

Для полного описания этой компоненты пучка необходимо знать Φ и ε (рис. 15. 1).

ений.

Одним из основных компонентов любого средства поляризационных измерений является поляризатор, представляющий собой оптический элемент, формирующий на своем выходе определенного типа поляризованное излучение за счет процессов отражения и преломления в нем падающей волны. Аналогичный по структуре оптический элемент, позволяющий обычно путем вращения вокруг оптической оси количественно оценить состояние поляризации падающего на него излучения, именуется анализатором.

Совершенным поляризатором именуется оптический элемент, порождающий единственное состояние поляризации прошедшего сквозь него пучка вне зависимости от состояния поляризации падающего излучения. Поляризатор может называться линейным, циркулярным или эллиптическим в зависимости от единственного состояния поляризации. В литературе нередко просто поляризатором называют линейный поляризатор.

Несовершенным поляризатором именуется такой оптический элемент, в выходном излучении которого кроме основного могут наличествовать все другие состояния поляризации.

Осью пропускания совершенного линейного поляризатора считается направление колебаний покидающего его линейно поляризованного пучка. Для несовершенного поляризатора осью пропускания считается направление колебаний падающего линейно поляризованного пучка, в котором пропускание оптического элемента максимально.

Линейным поляризатором называется оптический элемент, после прохождения сквозь который излучение имеет линейную поляризацию вне зависимости от состояния поляризации падающего на него излучения.

Мерой качества линейного поляризатора служит коэффициент (отношение) ослабления.

Примечание. Если на линейный поляризатор падает идеальное линейно поляризованное излучение, то его коэффициент ослабления описывается следующей формулой:

где ( ) — максимальное значение коэффициента пропускания (отражения); ( ) — минимальное значение коэффициента пропускания (отражения) мощности (энергии), проходящей (отраженной) сквозь (от) линейный поляризатор.

Главные коэффициенты пропускания. Если направление колебаний падающего линейно поляризованного пучка ориентировано так, что пропускание поляризатора максимально (т. е. направление колебаний параллельно оси пропускания поляризатора), то отношение интенсивностей прошедшего и падающего излучений именуется большим главным коэффициентом пропускания . Отношение, полученное при минимальной прозрачности, именуется малым главным коэффициентом пропускания .

Главное отношение пропусканий линейного поляризатора равно и является величиной, обратной коэффициенту ослабления. При падении неполяризованного излучения на цепочку из двух идентичных, последовательно расположенных поляризаторов отношение минимальной (при скрещенных поляризаторах) и максимальной (при параллельных поляризаторах) интенсивностей равно

Поляризованностью (polarizance) поляризатора считается степень линейной поляризации его выходного излучения при падении на него неполяризованного излучения. (Строго говоря, этот термин в переводе с английского должен звучать как «поляризующая способность»). Через главные коэффициенты пропускания поляризованность выражается следующим образом:

При частичной поляризации падающего излучения степень поляризации выходного излучения не равна поляризованности поляризатора.

Деполяризатором считается оптический элемент, преобразующий падающее на него излучение с любым состоянием поляризации в неполяризован-ное. В настоящее время не известны простые и надежные способы деполяризации оптического излучения. Используемые способы обычно порождают различные состояния поляризации, зависящие от временных, спектральных и геометрических параметров пучка. Поэтому подобные оптические элементы обычно именуют псевдодеполяризаторами.

Перейдем к фазовым пластинам (см. раздел 3. 5). В зависимости от состояния поляризации ортогональных компонент фазовые пластины делятся на линейные, циркулярные и эллиптические. При падении на фазовую пластину излучения в виде двух ортогонально поляризованных компонент она пропускает их без изменения состояния поляризации.

В литературе под фазовой пластиной часто подразумевается линейная фазовая пластина.

Запаздыванием именуется разность фаз, вносимая фазовой пластиной между двумя ортогонально поляризованными компонентами. Оно описывается либо фазовым углом, либо оптической разностью хода.

Быстрая и медленная оси. В линейной фазовой пластине падающий на нее пучок поляризованного излучения делится на две компоненты с ортогональными состояниями линейной поляризации. Направление колебаний компоненты, распространяющейся с большей скоростью, считается быстрой осью фазовой пластины. Соответственно, направление колебаний компоненты, распространяющейся с меньшей скоростью, считается медленной осью.

Четвертьволновой фазовой пластиной называется линейная фазовая пластина, вносящая запаздывание (разность фаз) или λ /4 (оптическую разность хода) между двумя линейно поляризованными компонентами. Фазовая пластина этого типа обычно используется при анализе эллиптически поляризованного излучения и преобразовании падающего линейно поляризованного пучка в эллиптически поляризованный.

Полуволновой фазовой пластиной называется фазовая пластина, вносящая запаздывание π или λ /2 между двумя линейно поляризованными компонентами. Фазовая пластина этого типа обычно используется для вращения плоскости колебаний линейно поляризованного излучения при сохранении состояния его поляризации.

Циркулярной фазовой пластиной называется оптический элемент, вносящий разность фаз между левоциркулярной и правоциркулярной компонентами циркулярно поляризованного падающего пучка излучения.

В поляриметрии достаточно широкое распространение получили также кристаллические оптические элементы.

Оптической осью кристалла считается направление(я) внутри кристалла, вдоль которого(ых) скорость распространения излучения не зависит от направления колебаний.

Одноосным кристаллом называется кристалл с одной оптической осью и двумя главными значениями показателя преломления и . Как правило, одноосный кристалл расщепляет падающее на него неполяризованное оптическое излучение на два ортогонально поляризованных пучка.

Обыкновенным лучом (o-ray, ordinary) является один из двух преломленных лучей, ведущий себя так, как если бы он распространялся внутри изотропного кристалла с обыкновенным показателем преломления ; этот луч расположен в плоскости падения и его скорость распространения в кристалле не зависит от направления.

Необыкновенным лучом (e-ray, extraordinary) является второй преломленный луч, не расположенный, как правило, в плоскости падения, причем его скорость распространения в кристалле изменяется в зависимости от направления. Предельное значение необыкновенного показателя преломления для этого луча обозначается через . Направление колебаний необыкновенного луча, вообще говоря, не перпендикулярно направлению его распространения.

Главными плоскостями соответствующих лучей являются плоскости, содержащие сам луч и оптическую ось кристалла. Направление колебаний обыкновенного луча перпендикулярно его главной плоскости. Направление колебаний необыкновенного луча расположено в его главной плоскости.

Линейным двойным лучепреломлением называется разность ( ). У положительного одноосного кристалла (например, кварца) , а у отрицательного (например, кальцита) .

Двухосным кристаллом является кристалл, в котором падающее на него поляризованное излучение в общем случае расщепляется на две линейно поляризованных компоненты, ни одна из которых не лежит в плоскости падения и они не являются ортогонально поляризованными, т. е. обе ведут себя как необыкновенные лучи. Двухосные кристаллы обладают двумя оптическими осями и характеризуются тремя значениями показателя преломления.

Оптической активностью считается свойство твердой, жидкой или газообразной среды вращать направление колебаний электрического вектора проходящего сквозь нее линейно поляризованного излучения, т. е. свойство, присущее циркулярной фазовой пластине. Среда считается правовращающей, если наблюдатель, воспринимающий пучок, видит вектор вращающимся по часовой стрелке. В противном случае среда считается левовращающей. Вращение вектора тесно связано с направлением распространения излучения, т. е. прохождение отраженного луча сквозь ту же среду в обратном направлении возвращает вектор к исходному азимуту.

Круговым двойным лучепреломлением оптически активной среды именуется разность ее показателей преломления для левоциркулярной и пра-воциркулярной компонент циркулярно поляризованного излучения. У кристаллов, обладающих как линейным, так и циркулярным двойным лучепреломлением, обычно преобладает первое из них. Так, например, у кварца при длине волны излучения 546 нм линейное двойное лучепреломление равно +0, 0092, а круговое —0, 00007. Поэтому оптическая активность легко обнаруживается лишь с помощью излучения, распространяющегося вдоль или под небольшим углом к оптической оси кристалла.

Дихроизмом называется свойство оптической среды порождать два ортогональных состояния поляризации, причем компоненты поглощаются при распространении в среде в разной степени. Соответственно, дихроизм может быть линейным или циркулярным (круговым). Явление кругового дихроизма, сопровождающегося аномальной вращательной дисперсией в полосе поглощения, часто именуется эффектом Коттона.

⇐ Предыдущая 51 52 53 54 555657 58 59 60 Следующая ⇒

Воспользуйтесь поиском по сайту: