15.2. Поляризационные эффекты в элементах оптической системы

До сих пор мы рассматривали оптические элементы, среды и явления, целенаправленно влияющие на состояние поляризации проходящего сквозь них излучения. Однако в оптический тракт вводятся также типичные для традиционных оптико-электронных систем пассивные элементы, к числу ко­торых относятся щель, интерференционный фильтр, зеркало, линза, призма и дифракционная решетка.

Порядок расположения в оптическом тракте оптических элементов и точ­ное местоположение измеряемого образца может существенно изменяться от прибора к прибору. Любой из перечисленных оптических элементов может порождать поляризационные эффекты, а измеряемый образец — демонстри­ровать некоторые виды анизотропии-, т. е. линейное или циркулярное двойное лучепреломление и/или дихроизм. Возникающие в оптических элементах по­ляризационные эффекты могут существенно влиять на фотометрические или радиометрические результаты.

Для начала ознакомимся с поляризационными эффектами, возникающими при отражении излучения от границы, разделяющей две среды.

Среди множества применяемых символов, используемых для обозначения компонент электрического вектора, колебания которых параллельны или пер­пендикулярны плоскости падения, предпочтительны и в дальнейшем будут нами применяться «р» и «s» для обозначения соответственно параллельной и перпендикулярной компонент. При рассмотрении процессов распростране­ния электромагнитных волн в оптических волноводах рекомендуются также к применению символы соответственно ТМ и ТЕ.

Примечание. Компоненты электрического вектора, связанного с ди­фракцией электромагнитных волн, обозначаются обычно теми же индекса­ми Ρ и S, но прописными, а не строчными.

Углом Брюстера (углом поляризации) называется угол  падения излу­чения на границу раздела двух диэлектрических сред, при котором не возни­кает в отраженном пучке р-компонента. В этом случае сумма углов падения и преломления равна 90°, а отношение показателя преломления среды, со­держащей преломленный луч, к показателю преломления среды, содержащей падающий луч, равно .

Угол падения оптического излучения на границу раздела диэлектрической и поглощающей сред, при котором отраженная р-компонента имеет минималь­ную интенсивность, называется псевдобрюстеровским углом.

Главным углом именуется угол падения оптического излучения на гра­ницу раздела диэлектрической и поглощающей сред, при котором сдвиг фаз между р- и s-компонентами равен 90°. Обычно главный угол близок, но не обязательно равен псевдобрюстеровскому углу.

Эллипсометрические параметры Δ и ψ непосредственно связаны с отражением оптического излучения на границе раздела двух сред, которые могут быть диэлектрическими или поглощающими.

Параметр Δ представляет собой разность фаз между отраженными р- и s-компонентами при их синфазности в падающем пучке.

Параметр ψ является тангенсом отношения амплитуд отраженных р- и s-компонент при равенстве их амплитуд в падающем пучке.

Теперь мы можем перейти непосредственно к рассмотрению поляризаци­онных явлений в перечисленных ранее оптических элементах.

Таким образом, оптические элементы, не влияющие целенаправленно на состояние поляризации проходящего сквозь оптическую систему излучения, будем считать поляризационно пассивными. Очевидно, что какое-либо влияние, оказываемое любым из этих элементов оптического тракта поляри­зационного прибора на состояние поляризации измеряемого излучения, яв­ляется источником погрешностей и должно быть устранено или, по крайней мере, минимизировано.

Элементы, целенаправленно воздействующие на состояние поляризации измеряемого излучения, но не управляемые внешними источниками электрического или магнитного поля, будем считать поляризационно полуак­тивными. К их числу относятся поляризаторы, деполяризаторы, фазовые пластины, одноосные и двухосные кристаллические оптические элементы.

Элементы, используемые в устройствах модуляции оптического излуче­ния, базирующиеся на применении электро- и магнитоупругого эффектов, а также фотоупругого эффекта, отнесем к числу поляризационно актив­ных элементов.

Особо следует упомянуть поляризационные эффекты в приемниках излу­чения, оказывающие серьезное влияние на достоверность результатов изме­рений.

Пассивные оптические элементы. Зеркала. Наиболее распростра­ненным элементом в практике оптического приборостроения в области фото­метрии и радиометрии оптического излучения следует признать металлизиро­ванное алюминием зеркало плоской, асферической или сферической формы. Отражение от такого зеркала при наклонном ладении излучения сопровож­дается частичной поляризацией пучка. В заимствованной из [79] табл. 15. 1 приведены значения отношения коэффициентов отражения  для плос­кого алюминиевого отражателя при различных углах падения в широком спектральном диапазоне.

Из данных табл. 15. 1 видно, что при небольших углах падения, характер­ных для коллимирующих и фокусирующих оптических систем, поляризаци­онные эффекты пренебрежимо малы и быстро возрастают по мере увеличения угла падения. Вместе с тем, во многих спектрофотометрах отклоняющие зер­кала расположены под углом 45° к направлению распространения излучения. В оптической системе может быть несколько таких зеркал, поэтому суммар­ный поляризационный эффект оказывается весьма значительным. В табл. 15. 2 приведены значения отношения  для различных металлов при угле падения 45°; для сравнения указаны значения коэффициента  при нор­мальном падении.

Замечено, что алюминиевые поверхности при воздействии атмосферы все­гда покрываются тонким оксидным слоем с начальной толщиной ~ 2 нм, возрастающей со временем до ~ (4—5) нм. В диапазоне углов падения от нормального до 45° это оказывает слабое влияние на отношение Rp/Ra, но при больших углах падения появляются заметные изменения: например, при угле падения 75° и длине волны 220 нм, переход от безоксидной поверхности к покрытой пленкой оксида характеризуется изменением Rp/Rs от 0, 908 до 0, 933.

 

Таблица 15. 1. Отношения коэффициентов отражения Rp/Rs для алюминиевого

зеркала [79]

λ (нм)
η	0, 14	0, 47	0, 82	1, 99	2, 30	25, 4
к	2, 35	4, 84	5, 99	7, 05	16, 5	67, 3
ϋ (градусы)
	0, 993	0, 995	0, 994	0, 990	0, 998	0, 999
	0, 973	0, 978	0, 975	0, 958	0, 991	0, 994
	0, 944	0, 948	0, 940	0, 902	0, 977	0, 986
	0, 912	0, 901	0, 884	0, 810	0, 952	0, 971
	0, 908	0, 837	0, 793	0, 652	0, 892	0, 932

 

Таблица 15. 2. Отношения коэффициентов отражения Rp/Rs при угле падения 45° и коэффициента Rn при нормальном падении [79]
Металл	λ (нм)	η	fc	Rn	RP/Rs
Золото	200 450 550 800 10 000	1, 43 1, 40 0, 33 0, 15 7, 41	1, 22 1, 88 2, 32 4, 65 53, 4	0, 225 0, 398 0. 815 0, 974 0, 990	0, 353 0, 540 0, 880 0, 982 0, 993
Серебро	400 550 800	0, 075 0, 055 0, 090	1, 93 3, 32 5, 45	0, 939 0, 982 0, 988	0, 962 0, 988 0, 992
Родий		1, 62	4, 63	0, 771	0, 937
Никель		1, 85	3, 27	0, 607	0, 711
Хром		2, 97	4, 85	0, 698	0, 778

 

Более существенно поляризационные эффекты проявляются при нанесе­нии на алюминиевое зеркало достаточно толстой защитной пленки. В качестве примера в табл. 15. 3 приведены значения Rp/Rs для алюминиевого зеркала, покрытого пленкой MgF2 толщиной 38 нм [79].

Следует также учитывать трудно оцениваемые изменения разности фаз между р- и s-компонентами при отражении от алюминиевых зеркал в случае наклонного падения излучения.

 

Таблица 15. 3. Отношения коэффициентов отражения Rp/Re алюминиевого зеркала с защитной пленкой из MgF2 толщиной 38 нм [79]

λ (нм)
ϋ (градусы)	Rp/Rs
	0, 997	0, 994
	0, 994	0, 997
	1, 003	0, 948
	1, 055	0, 912
	1, 224	0, 899

Призмы и линзы. Преломление на входной и выходной гранях диспер­гирующей призмы монохроматора при наклонном падении излучения сопро­вождается значительным поляризационным эффектом.

Для однопроходной призмы с углом 60° и призмы Литтрова с углом 30° (у которой боковая поверхность покрыта слоем алюминия) отношение компо­нент прошедшего излучения  описывается выражением

где  и φ — углы падения и преломления излучения гранью призмы, соответ­ственно. Это выражение справедливо для пучка, проходящего сквозь призму с минимальными отклонениями неполяризованного излучения, с равными по интенсивности на входе р- и s-компонентами. Отношение  возрастает по мере увеличения показателя преломления материала призмы и уменьшения длины волны излучения, о чем свидетельствует табл. 15. 4 [79].

Таблица 15. 4. Отношение 1Р/ 1а для 30°-й призмы Литтрова или 60°-й однопроходной

призмы

 

Призма	λ (нм)	η
SiO2	800 546 220	1, 453 1, 460 1, 529	1, 185 1, 193 1, 278
Стекло НС DF EDE DEDF	546 546 546 546	1, 520 1, 625 1, 706, 1, 755	1, 265 1, 451 1, 679 1, 879

Примерно те же эффекты возникают и в линзах, но по мере увеличения числовой апертуры линзы их влияние значительно сокращается.

Интерференционные фильтры Хорошо известно, что длина волны для максимального пропускания интерференционного фильтра смещается в коротковолновую сторону по мере увеличения угла падения: сдвиг длины волны Δ λ пропорционален квадрату угла падения излучения. Исследования показали, что s-компонента испытывает большее смещение длины волны. Кроме неодинаковых Δ λ, у ортогональных компонент наблюдаются отлич­ные друг от друга изменения спектральной ширины полосы: у р-компоненты она расширяется, а у s-компоненты — сужается. Если на интерференцион­ный фильтр наклонно падает пучок непрерывного излучения, то эти изме­нения ширины полосы пропускания сопровождаются заметной поляризацией прошедшего излучения. Поэтому следует иметь в виду, что использование интерференционного фильтра при наклонном падении излучения приводит к частичной поляризации прошедшего излучения, незначительной при малых углах падения и возрастающей по мере их увеличения.

Щели. Очень узкие щели в виде надрезок на алюминиевой пленке (ши­риной менее λ /2) полностью поляризуют прошедшее сквозь них излучение, при этом электрический вектор оказывается перпендикулярным длине щели. Для более широких щелей характерна частичная поляризация с превали­рующей компонентой, колебания которой параллельны длине щели. Щели из нержавеющей стали уменьшают интенсивность прошедшего излучения по мере увеличения глубины щели и уменьшения проводимости (и коэффициента отражения) ее стенок. Например [79], при длине волны 500 нм излучения, па­дающего на стальную щель глубиной 35 мкм, измеренное отношение интенсив-ностей р- и s-компонент к длине щели составило 2, 3 для щели шириной 2 мкм и уменьшилось до значений 1, 1и 1, 0 при ширинах щели, соответственно, 10 и 50 мкм. У более глубокой щели 1000 мкм и при большей длине волны 1000 нм заметная поляризуемость излучения наблюдалась при ширине щели 100 мкм; при ширине щели 10 мкм измеренное отношение  составило 10: 1.

Таким образом, было установлено, что поляризационными эффектами можно пренебречь, пока ширина щели превышает ее глубину. Поскольку большинство спектроскопических щелей имеют глубину в пределах от 25 до 50 мкм, а ширина щели, как правило, ^ 50 мкм, можно заключить, что в спек­трофотометрах щели не порождают сколько-нибудь заметных поляризаци­онных эффектов. Их влияние необходимо учитывать лишь при выполнении особо точных измерений.

Дифракционные решетки Детальное изучение дифракционных реше­ток показало [79], что их эффективность зависит от ряда факторов: отношения m λ /d (где т — порядок дифракции; λ — длина волны; d — шаг решетки); угла грани решетки с треугольным профилем; глубины от пика до впадины штри­ха решетки с синусоидальным профилем, т. е. типичной интерференционной решетки; угла между падающим и дифрагировавшим пучками; электропро­водности металлической поверхности решетки. Поляризационные эффекты, влияющие на эффективность дифракции, обязаны своим появлением главным образом изменениям р-компоненты, в то время как s-компонента остается практически неизменной.

В результате многолетних теоретических и экспериментальных исследо­ваний установлено, что в большинстве спектрофотометров именно дифракци­онная решетка ответственна за возникновение дополнительной погрешности, порожденной поляризационным эффектом. Влияние этого эффекта сильно зависит от параметров дифракционной решетки и спектрального диапазона прибора. Оказалось, что в области аномальной дисперсии отношение Ер/Es изменяется в 2-3 раза в интервале длин волн всего 10 нм. Поэтому необхо­димо в поляризационных приборах с дифракционными решетками выбирать диапазон длин волн, полностью свободный от аномальных эффектов.

Полуактивные оптические элементы

Линейные поляризаторы. Линейные поляризаторы обычно делят на три класса: кристаллические двулучепреломляющие, дихроичные и дифрак­ционные, использующие отражение и пропускание наклонно падающего излу­чения. Кристаллические поляризаторы обычно сильно поляризуют излучение и поэтому их стараются применять в прецизионных поляриметрах. В обычных приборах используют более простые и дешевые поляризаторы.

Кристаллические поляризаторы с двойным лучепреломлением. Достаточно широкое распространение получили поляризаторы, построенные на использовании эффекта полного внутреннего отражения. Благодаря ис­ключительно высокому двойному лучепреломлению кальцита ( ,  при λ = 546 нм) из этого материала часто изготавливают поляри­затор с полным внутренним отражением обыкновенного луча. В литературе достаточно подробно описаны поляризаторы на основе призм Николя, Глана-Томсона, Глана-Фуко, Аренса и др., поэтому здесь мы на них не будем останав­ливаться. Заметим лишь, что поляризаторы из кальцита недешевы, их цена быстро растет по мере увеличения апертуры, особенно при размерах пучков более 10 мм. Для удешевления этих элементов стараются комбинировать кальцит со стеклом.

Поляризаторы с расщеплением пучка. В кристаллических поляри­заторах со слабым двойным лучепреломлением ( ,  при λ = 546 нм) полное внутреннее отражение достигается с трудом и по этому малоэффективно. Зато легко можно использовать расщепление лучей за счет их углового разделения. Наиболее употребительны поляризаторы на основе призм Волластона и Рошона. Комбинирование явлений оптической активности и двойного лучепреломления в кристаллическом кварце позволя­ет получить на выходе поляризатора излучение с небольшой эллиптической поляризацией, хотя коэффициент ослабления не превышает 10~5. Важным преимуществом кварцевых поляризаторов является возможность их примене­ния в УФ диапазоне спектра: до 200 нм и менее для естественного и ~ 165 нм для синтетического кварца. В более коротковолновом диапазоне до 130 нм успешно используются в качестве поляризаторов призмы Рошона и Волласто­на из фторида магния.

Дихроичные поляризаторы имеют ряд серьезных преимуществ по сравнению с кристаллическими: они значительно дешевле, могут достигать существенно больших размеров и работать в сильно сфокусированных пучках излучения. Благодаря их малой толщине, пучки излучения претерпевают незначительные отклонения и смещения, что облегчает их использование в фотометрической аппаратуре.

Чаще всего поляризаторы этого типа представляют собой поляроид //-ти­па. Их основой служит однонаправленно натянутая тонкая пленка поливини­лового спирта с добавлением йода, спрессованная между пластинками ацетил-целлюлозного бутирата, находящимися, в свою очередь, между защитными слоями пластика или стекла. В диапазоне длин волн от 550 до 650 нм коэффи­циент ослабления находится в пределах от 4 · 10~4 до 5 · 10~6. Выпускаются также поляроиды К-типа в аналогичном исполнении для диапазона длин волн 500-600 нм с коэффициентом ослабления 5 · 10~5. Параметры других Типов поляроидов приведены в [79].

Дифракционные поляризаторы бывают сетчатыми, но по-разному технологически исполненными. На ранних стадиях их изготавливали прово­лочными, а с начала 70-х годов развилась и успешно осваивалась фотоли­тографическая технология. Подобно дихроичным поляризаторам, сетчатые поляризаторы могут изготавливаться больших размеров и использоваться в сильно сфокусированных пучках.

Поляризаторы, в которых используются явления отражения и пропускания при наклонном падении излучения, делятся на три группы: отражающие, пропускающие и интерференционные. При падении излучения на непоглощающую среду под углом Брюстера не проис­ходит отражения р-компоненты, благодаря этому при единичном отражении можно получить линейно поляризованное излучение. Коэффициент отраже­ния s-компоненты возрастает по мере увеличения показателя преломления среды. Поэтому отражающие поляризаторы стараются изготавливать из ма­териалов с большим п. Так, для ИК области спектра выбирают селен (п « 2) и германий {п « 4), при этом коэффициент отражения s-компоненты равен соответственно 51 и 78%, при условии падения излучения под углом Брю­стера для каждого из этих материалов. В области дальнего ультрафиолета иногда пользуются тонкими металлическими пленками, но частичное отра­жение р-компоненты приводит к некоторому уменьшению эффективности по­ляризации. Недостатками поляризаторов этой группы являются отклонение и смещение пучков, а также большие габариты, особенно при значительных углах Брюстера.

Пропускающие поляризаторы обычно изготавливаются в виде стопы пла­стин. Степень поляризации увеличивается с возрастанием числа пластин и по­казателя преломления. Они не отклоняют и не смещают проходящие сквозь них пучки излучения. Поляризаторы этой группы для ИК области спектра до длин волн 15 и даже 20 мкм изготавливаются из пластин, материалом для которых служит селен, хлорид серебра или германий, а в более дальнем ИК диапазоне до 200-300 мкм — полиэтилен. В УФ диапазоне до длин волн и 110 нм основным материалом для пластин служит фторид лития.

Интерференционные поляризаторы конструктивно выполняются в виде многослойных оптических элементов из тонких пленок, расположенных под углом к падающему излучению. Наиболее распространенным типом интер­ференционного поляризатора является поляризационный светорасщепитель, состоящий из нескольких диэлектрических пленок с перемежающимися высо­ким и низким значениями показателя преломления, расположенных на гипо-тенузной грани склеенного стеклянного куба. Достаточное количество слоев обеспечивает получение высокой степени поляризации и для прошедшего, и для отраженного пучков. В результате для ортогонально поляризованных выходных пучков, при 11 слоях, коэффициент ослабления равен 10~3, а при 9 слоях — 5 · 10~3. Поляризационные расщепители наиболее эффективно функ­ционируют с коллимированными пучками при правильно подобранных дли­нах волн. Однако при надлежащем конструировании, возможно построение расщепителя с коэффициентом ослабления 5 · 10~3 в спектральном интервале 100 нм и угловой апертуре в несколько градусов.

Поляризационные эффекты в активных оптических элементах. Эффектом Фарадея называется вращение электрического вектора линей­но поляризованного излучения, проходящего сквозь твердую, жидкую или газообразную среду под воздействием продольного магнитного поля. Угол поворота плоскости колебаний вектора Ε пропорционален компоненте вектора напряженности магнитного поля, параллельной направлению распростране­ния излучения. Для данной оптической среды знак направления вращения определяется направлением магнитного поля. В случае отражения пучка из­лучения в обратном направлении его прохождение сквозь среду сопровожда­ется удвоением угла вращения.

Коэффициент пропорциональности, характеризующий эффект Фарадея (часто именуется фарадеевским вращением), приходящийся на единицу длины и на единицу напряженности магнитного поля, называется констан­той Верде. Она положительна, если электрический вектор линейно поля­ризованного излучения, распространяющегося в среде в направлении маг­нитного поля, воспринимается наблюдателем вращающимся против часовой стрелки. У большинства оптически прозрачных сред константа Верде поло­жительна.

Эффектом Коттона—Муттона называется появление линейного двой­ного лучепреломления в среде под воздействием магнитного поля. В этом слу­чае оптическая среда ведет себя как одноосный кристалл с оптической осью, параллельной направлению магнитного поля. Знак возбужденного двойного лучепреломления зависит от свойств среды, а его интенсивность пропорцио­нальна квадрату напряженности магнитного поля.

Магнито-оптический эффект Керра состоит в том, что при отраже­нии поляризованного излучения намагниченной поверхностью его состояние поляризации (например, азимут и эллиптичность) изменяется. Интенсивность изменений зависит от направленности магнитного поля, а эффект можно наблюдать, если вектор Η направлен параллельно или перпендикулярно от­ражающей поверхности.

Электрооптический (квадратичный) эффект Керра состоит в том, что воздействие электрического поля на твердую, жидкую или газообразную среду порождает в ней линейное двойное лучепреломление. Под воздействием электрического поля среда ведет себя как одноосный кристалл с оптической осью, параллельной направлению вектора электрического поля. Напряжен­ность внешнего электрического поля Е, как правило, много меньше, чем у внутреннего поля среды. Поэтому соотношения, описывающие малые из­менения оптических свойств среды (эллипсоид показателей преломления в диэлектрической негиротропной среде) может быть представлен в виде ряда по степеням поля:

 

 

Из малости внешнего поля следуют неравенства

 

 

В центросимметричных средах , и наблюдается только квадра­тичный эффект Керра.

Для сред, где , можно ограничиться двумя членами в левой ча­сти суммы. В этом случае среда обладает линейным электрооптическим эффектом — эффектом Поккельса. Под воздействием электрического поля изотропный кристалл, демонстрирующий эффект Поккельса (например, гексамин), ведет себя как одноосный, в то время как одноосный кристалл проявляет все свойства двухосного.

Направленность появляющейся оптической оси (осей) зависит от структу­ры кристалла. Линейно поляризованное излучение, проходящее сквозь кри­сталл с надлежащим срезом, становится эллиптически поляризованным, если кристалл обладает эффектом Поккельса, а направление распространения из­лучения в нем параллельно или перпендикулярно вектору электрического по­ля. В кристаллах, обладающих в дополнение к квадратичному эффекту Керра еще и эффектом Поккельса, вызванное последним двойное лучепреломление значительно сильнее, чем порожденное первым из них.

Фотоупругий эффект проявляется в появлении двойного лучепре­ломления твердой среды при воздействии на нее механического давления. Изотропная среда ведет себя как одноосный кристалл с оптической осью, параллельной направлению механического воздействия. Относительный ко­эффициент оптической чувствительности по напряжениям характеризует запаздывание, вносимое на единицу толщины среды и единицу давления. У большинства сред этот коэффициент положителен, что означает, что среда ведет себя как отрицательный одноосный кристалл, т. е. показатель преломления поляризованного излучения с электрическим вектором, перпен­дикулярным направлению прилагаемого давления, больше, чем показатель преломления ортогональной компоненты поляризованного излучения.

Поляризационные эффекты в приемниках излучения. При изуче­нии поляризационных эффектов, вызванных падением оптического излуче­ния на конструктивные элементы приемников излучения, преимущественно интересовались отражением линейно поляризованного излучения от входных окон, покрытий, чувствительных элементов приемных поверхностей. Оказа­лось, что при нормальном падении излучения поляризационные эффекты либо весьма слабы, либо вообще не наблюдаются. При больших углах паде­ния появляется компонента поляризованного излучения с плоскостью коле­баний, расположенной в плоскости падения, причем она сильно отражается от поверхности, а приемник излучения обладает большой чувствительностью к излучению с этим состоянием колебаний. Так, у обычных ФЭУ с торцевым входом и твердотельных приборов (фотодиодов, фоторезисторов), при угле падения 70°, входные окна и поверхности чувствительных элементов обладают поляризованностью 20 %.

Поэтому в оптических схемах, где не удается избежать больших углов падения излучения, при ответственных измерениях, выполняемых с большой точностью, следует предварительно оценить поляризованность поверхностей, воспринимающих падающее излучение.

15. 3. Технические поляризационные измерения

Традиционными техническими поляризационными измерениями считают­ся измерения угла вращения плоскости колебаний (плоскости поляризации) (УВПП) и дихроизма, а также эллипсометрия. На этих двух подвидах поля­ризационных измерений мы и остановимся.

Измерения вращения плоскости колебаний и дихроизма. Поля­риметры и сахариметры. Вращение плоскости поляризации излучения на одной или нескольких линиях спектра измеряют с помощью поляриметров и сахариметров. Эти приборы имеют одинаковую оптическую схему и отли­чаются градуировкой шкалы отсчетного устройства: в поляриметрах отсчет ведется в угловых градусах, а в сахариметрах — в сахарных. В отечественной сахариметрии пользуются международной сахарной шкалой, градусы которой обозначают °S, и реже сахарной шкалой Венцке, градусы которой обозначают °V. Между сахарными и угловыми градусами существует следующая связь:

Схема типичного фотоэлектрического поляриметра (сахариметра) вклю­чает (рис. 15. 2) источник излучения 1, фильтр 2, поляризатор 3, кювету с исследуемым веществом 4, модулятор 5, анализатор 6, фотоприемник 7 и регистратор 8. Принцип работы поляриметра основан на компенсации угла вращения плоскости поляризации излучения, вносимого исследуемым веще­ством.

 

Рис. 15. 2. Фотоэлектрический поляриметр

 

Излучение от источника 1, пройдя через фильтр 2 и поляризатор 3, становится монохроматическим линейно поляризованным и поступает через анализатор 6 на фотоприемник 7. Поток излучения на выходе анализатора равен

где Фо — поток на входе поляризатора;  — угол между направлениями пропускания поляризатора и анализатора;  — коэффициент пропускания поляризатора и анализатора при .

Чтобы измерить вращение плоскости поляризации излучения, поляриза­тор 3 и анализатор 6 ориентируют под углом а = π /2. В этом положении (гашения) поток Φ минимален. Затем между поляризатором и анализатором устанавливают кювету с исследуемым веществом 4, которое поворачивает плоскость поляризации света на угол φ. Поток на выходе анализатора стано­вится равным

                           (15. 1)

Поворотом анализатора компенсируют вращение плоскости поляризации, и на вход фотоприемника поступает минимальный поток Ф. Угол поворота анализатора равен углу вращения плоскости поляризации φ.

Методом полного гашения измеряют вращение плоскости поляризации излучения с погрешностью ± (0, 02... 0, 03)°. Эта погрешность вызвана малой чувствительностью прибора в области гашения, нестабильностью источника излучения и фотоприемника, чувствительностью фотоприемника к состоянию поляризации света и внешним засветкам и др. Более точно φ измеряют мето­дом симметричных углов, с помощью которого зависимость (15. 1) исследуют на линейном участке. Для этого поляризатор и анализатор ориентируют под углом , затем анализатор раскачивают относительно исходного положения на углы +φ 1 и — φ 2 до получения равных выходных потоков. Обычно φ 1 и φ 2 равны 5-10°, в зависимости от оптической плотности исследуемого ве­щества. Дальнейшее увеличение угла раскачки анализатора не ведет к по- ι вышению точности измерения из-за шумов электронной схемы. Положению гашения соответствует ориентация поляризатора и анализатора под углом

Погрешность лучших поляриметров составляет 0, 002-0, 001°. На ее зна­чение влияют нестабильности источника и приемника излучения, напряже­ния питания модулятора, температура электро- и магнитооптических моду- 1 ляторов, чувствительность приемника излучения к состоянию поляризации, j погрешность отсчетного устройства, наведенное двулучепреломление оптиче- I ских элементов и т. д. I

Автоматизация контроля вращения плоскости поляризации позволила увеличить чувствительность и быстродействие поляриметров, расширить их спектральный диапазон от УФ до ИК области спектра. Это дало толчок по­явлению нового класса приборов-спектрополяриметров, с помощью которых исследуют дисперсию вращения плоскости поляризации.

Спектрополяриметр состоит из источника излучения 1, монохромато-ра 2, поляризатора 3, кюветы с исследуемым веществом 4, модулятора 5, ана­лизатора 6, фотоприемника 7 и регистратора 8 (рис. 15. 3). Измеряют враща­тельную дисперсию методом симметричных углов в спектральном диапазоне от 0, 18 до 0, 7 мкм, реже в ИК области. Этот диапазон определяет конструкцию и характеристики элементов прибора.

Рис. 15. 3. Спектрополяриметр

В современных быстродействующих спектрополяриметрах для модуляции излучения используют магнито-, электро-, акустооптические и другие модуля­торы. Как и в поляриметрах, в спектрополяриметрах компенсацию поворота плоскости поляризации осуществляют вращением анализатора с помощью электродвигателя или используют ячейку Фарадея. Применение компенсато­ра Фарадея в спектрополяриметрах имеет свои особенности. Из-за дисперсии постоянной Верде магнитоактивной среды нарушается линейная зависимость тока в катушке модулятора от угла поворота плоскости поляризации. Линеа­ризацию этой зависимости осуществляют с помощью нелинейного потенцио­метра.

Погрешность измерения вращательной дисперсии современными спектро-поляриметрами составляет ± (0, 001... 0, 01)° в зависимости от области спектра и плотности образца. Рабочий спектральный диапазон обычно равен 0, 18-0, 7 мкм, а диапазон измеряемых углов — от 0, 02 до 90°. Чувствительность лучших образцов спектрополяриметров составляет 0, 0002° и определяется отношением сигнал/шум, стабилизацию которого обычно осуществляют авто­матически путем регулирования анодного напряжения фотоприемника и ши­рины щели монохроматора.

Магнитоспектрополяриметр — это прибор для измерения дисперсии магнитооптического вращения (MOB) плоскости поляризации излучения. С его помощью измеряют постоянную Верде веществ, исследуют структуру низко- и высокомолекулярных соединений, определяют концентрацию свобод­ных носителей и однородность полупроводников и т. д.

Подобно спектрополяриметру, магнитоспектрополяриметр состоит из ис­точника излучения 1, монохроматора 2, коллиматора 3, поляризатора 4, мо­дулятора 6, анализатора 7, фотоприемника 8 и регистратора 9 (рис. 15. 4). Однако исследуемое вещество помещают в продольное поле магнита 5. Исследуют дисперсию MOB методом симметричных углов.

 

Рис. 15. 4. Магнитоспектрополяриметр

 

В качестве источника магнитного поля используют электромагниты, постоянные и сверхпроводя­щие магниты. Постоянные магниты создают поля напряженностью (8 · 105-12 · 105) А/м, они малогабаритны и имеют низкую стоимость. Электромаг­ниты имеют более мощные магнитные поля (до 2, 5 · 106 А/м), однако они обеспечивают точность измерения меньшую, чем постоянные магниты.

Если магнитная активность по абсолютной величине мала по сравнению с естественной, используют сверхпроводящие магниты ( ), ко­торые имеют более однородные магнитные поля и большой световой диаметр. Однако такие магниты сложны в эксплуатации, для их работы требуются температуры жидкого гелия, время выхода на рабочий режим составляет 10-15 мин. Спектроскопия MOB твердых веществ не отличается от спектроскопии естественного оптического вращения. Особое место занимает спектроскопия MOB растворов. В магнитном поле вращение плоскости поляризации создает­ся не только наведенной активностью исследуемого вещества, но и растворите­ля и кюветы. Для компенсации балластного вращения растворителя и кюветы используют дифференциальный метод измерения. Для этого между поляри­затором и анализатором устанавливают магниты со встречно направленными полями. В поле одного магнита помещают кювету с исследуемым раствором, а в поле другого — с растворителем. Погрешность измерения лучших приборов не превышает ± 0, 001°.

Дихрографы — это приборы для измерения коэффициента дихроичного поглощения Δ ε вещества. По своей сути дихрограф является спектрофото­метром, дополненным циркулярным поляризатором, в качестве пластины λ /4 которого используют ромб Френеля, компенсатор Бабине—Солейля, электро-и акустооптический модуляторы.

В основе работы дихрографа лежит фотометрический метод, который состоит в определении дихроичного поглощения по результатам измерения коэффициентов поглощения  и  (рис. 15. 5). Лучистый поток от ис­точника 1 проходит через монохро-матор 2 и коллиматор 3. Приз­ма Рошона 4 делит излучение на две ортогональные линейно поляри­зованные компоненты, одна из ко­торых (необыкновенный луч) диа­фрагмируется, а вторая проходит че­рез электрооптический модулятор 5 и поляризуе

⇐ Предыдущая52535455565758596061Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: