Поляризационный рефрактометр нарушенного полного внутреннего отражения

П НИЕ ИЗ ЕТЕН Н АВТОР У СВИДЕ ЬСТВ ВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГГИ(56) Молочников Б,И., Морозов В,Н. Методы и аппаратура отражательной поляризационной рефрактометрии. Обзорная информация ЦНИИТЭИ приборостроения. Вып, 2 ТО, М, 1981, с, 35-37.Ь 1 иезша ЕЕ., Ре 1 а СА апс 1 И 1 щацз,1. А пею ацгоп)аСхс е 11 рзоп)ейег. - Яцгйасе Бс 1 епсе, ч. 56, 1976, р. 189-195.(54)(57) ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ РЕФРАКТОМЕТР НАРУШЕННОГО ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ (НПВО), содержащий источник света и последовательно расположенные по ходу пучка света формирователь коллимированного монохроматического пучка света, включающий конденсор, разделитель пучков света и светофильтр, поляризационный фильтр, модуляторы разности фаз и азимута преимущественной поляризации, элемент НПВО и зеркало, закрепленное на одном из плеч параллелограмма, механически связанного с лимбом углоизмерительного устройства, а также оптически связанный с разделителем пучков света фотоприемник, выход которого электрически соединен через усилитель. с входом двигателя, механически связанного с параллелограммом, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в устройство введены объектив с фокусным расстоянием 1- , установленный между разделителем пучков света и светофильтром, а также ограничивающая диафрагма диаметром 1) равным диаметру рабочего пучка света, разделитель пучков света выполнен в виде непрозрачного зеркала с отверстием диаметром д в зеркальном слое и установлен. в фокальной плоскости объектива,.а поляризационный фильтр выполнен в виде двоякопреломляющей призмы с углом раздвоения взаимно ортогональных поляоризационных пучков 90 Яагсги закреплен неподвижно таким образом, что плоскости поляризации падающих пучков составляют углы45 с плоскостью падения, причем ограничивающая диафрагма установлена между двоякопреломляющей призмой и модулятором разности фаз на расстоянии Г от зеркала, удовлетворяющем условию Ь1 ), )(2 С В) , где Ь - максимально допустимое удаление ограничивающей диафрагмы от зеркала.Изобретение относится к оптикомеханическим приборам и предназначено для измерений методом нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) вещественной части комплексл ного показателя преломления дг =г-згг исследуемых сред, например жидкостей (для большинства которых показатель поглощения х находится в пределах Жг0,02) относительно известной среды, например стекла.Целью изобретения является повышение точности измеренийпоказателя преломления прозрачных и поглощающих сред.5В предлагаемом устройстве применение неподвижной двулучевой преломляющей призмы с углом раздвоения 8 ) ) агс 1в сочетании с разделителемУсвета в виде диафрагмы диаметром д, установленной в фокусеобъектива, и в сочетании с диафрагмой диаметром Д , равным диаметру рабочего пучка, которая установлена со стороны элемента НПВО на расстоянии 1 ), 0(2 йдй) от отражающего зеркала, позволяет решить важную задачу: для падающего на элемент НПВО пучка света призма Волластона является линейным поляризатором с азимутом плоскости поляри зации, например +45 к плоскости падения, в то же время для отраженного дважды от элемента НПВО пучка света эта же призма является линейным анализатором с азимутом плоскости про- З 5 пускания взаимно ортогональным по отношению к падающему пучку, т.е -45, Это позволяет испольэовать дву-, кратное отражение для НПВО (автоколлимационный вариант схемы), 10 что приводит к повышению чувствительности и точности измерений показателя преломления сред методом НПВО, а также благодаря смещению в пространстве взаимно ортогональных по плоскости 45 поляризации пучков света применить зеркальное разделение пучков света практически без потерь световой энергии, что приводит к повышению чувствительности и точности измерений. 50На чертеже изображена принципиальная схема предлагаемого поляризационного рефрактометра НПВО.Устройство содержит источник света 1, формирователь коллимированного монохроматического пучка света, состоящего из конденсатора 2, диафрагмы 3, находящейся в фокусе объектива 4 с фокусным расстоянием у , и светофильтра 5, поляризационную двоякопреломляющую призму Волластона 6, магнитооптическиймодулятор 7, элемент НПВО, например, в виде стеклянной призмы 8 с углами рабочих боковых граней " , соприкасающейся с исследуемой средой 9, за которым закреплено, например, с помощью параллелограмма 10 с микрометренным винтом 11 зеркало 12. Диафрагма 3 одновременно служит разделителем прошедших и отраженных пучков и выполнена, например в виде стеклянного кубика, склеенного из двух призм, на диагональную плоскость одной из которых нанесено непрозрачное зеркальное покрытие с отверстием в центре диаметром д . Модулятор 7 возбуждается переменным током частоты и , например от сети. Поляризационная призма Волластона 6 имее угол раздвоения пучков В ) агс 18 - и закреплена неподвижно так, что плоскости поляризации падающих пучков имеют углы + 45 с плоскостью падения, а один из раздвоенных пучков является рабочим пуч. ком. За двоякопреломляющей призмой 6 находится ограничивающая диафрагма 13, отверстие которой равно диаметру Р рабочего пучка света, и она установлена на таком расстоянии Г от зеркала, что выполняется условие 1 ъ 0(28) , За диафрагмой 13 установлен неподвижно модулятор 14 разности фаз, например электрооптический,наведенные оси которого совпадают соответственно с плоскостью раздела сред и плоскостью падения. Модулятор 14 возбуждается переменным электрическим полем той же частоты д , что и магнитооптический модулятор 7. Амплитуда и фаза возбуждения модулятора 14 выбраны так, что в любой момент времени относительное приращение разности фаз между р- и 5 -компонентами падающего пучка света равно удвоенному относительному приращению азимута линейной поляризации этого же пучка, но с обратным знаком. Одно из плеч параллелограмма 10 связано с лимбом 15 углоизмерительного устройства, которое содержит пента- призму 16, объектив 17, сетку,18 и окуляр 19. Со стороны наклонной зеркальной поверхности диафрагмы 3 пучков установлен фотоприемник 20, который через избирательный усилитель1179170отражения оптической систе-.мы;относительные изменения азимута восстановленной линей 5ной поляризации и разностифаз между р- и . -компонентами поляризованного светапосле отражения,,1 - амплитуда и частота модуля 10 ции состояния поляризациимодуляторами 7 и 14.Если угол падения света с меньшепсевдокритического сС р =агсзхпфп+Х,где и и Х - относительные показатели где 21 электрически связан с реверсивным двигателем 22. Двигатель 22 через редуктор 23 механически связан с ми крометренным винтом параллелограмма 10.Поляризационный рефрактометр НПВО работает следующим образом.Сформированный элементами 1-5 коллимированный монохроматический пу чок света падает на призму Волластона 6 и под углом р раздваивается на два пучка с взаимно ортогональной ориентацией плоскостей поляризации, которые в своюочередь составляют углы45 с плоскостью падения. Один из раздвоенных пучков проходит диафрагму 13, модулятор 14, модулятор 7, отражается от границы раздела известной среды призмы 8 с исследуемой средой 9, зеркалом 12 пучок воз вращается обратно, повторно отражается от границы раздела сред 8-9, снова проходит модуляторы 7 и 14, призму Волластона 6. Другой раздвоенный пучок задерживается диафрагмой 13 и в работе не участвует. Если исследуемое вещество 9 прозрачное (У 20) для света с рабочей длиной волны Д, а угол падения с равен критическому углу с(р , при котором после отражения не происходит измене ний состояния поляризации линейно поляризованного света, то объективом 4 свет фокусируется в плоскости отверстия диафрагмы-разделителя 3 и возвращается в сторону источника ф35 света 1. Если среда 9 является поглощающей (Ж 2 ФО) или угол падения с Фср при любых значениях Х 2, то возвращаемый на призму 6 свет по40 состоянию поляризации отличается от исходного рабочего пучка и призмой 6 снова разделяется на две компоненты. Одна из компонент по-прежнему проходит диафрагму 3, а другая объ 45 ективом 4 фокусируется на зеркальном слое диафрагмы 3 в стороне от его отверстия и, отражаясь от него, направляется на фотоприемник 20. Фотоприемник,20 воспринимает свет интенсив 50 ности 2 , изменяющейся по закону1-срз гчз с 058-2 А(251 п гч 0-РОгУгсозг р ).уп ,)1.1- интенсивность неполяризован ного света, падающего напризму Волластона 6;Р - энергетический коэффициент преломления и поглощения, то в результате эффекта преобладания двойного относительного измерения азимутавосстановленной линейной поляризации 2 ф, над относительным изменением -разности фаз Д при двукратном отражении от границы раздела сред 8-9 переменная составляющая частоты иЗ сигнала фотоприемника 20 по фазе будет такой, как фаза возбуждения модулятора 7. А если о ) 2 р то в результате преобладания относительного изменения разности фаз Д над азимутом 2 Ф переменная составляющая сигнала фотоприемника 20 по Фазе будет такой же как Фаза возбуждения модулятора 14, т.е. отличаться нарад по сравнению с рассмотренными случаями. Переменная составляющая сигнала фотоприемника 20 усиливается избирательным усилителем 21 и подается на обмотку управления двигателя 22, который через редуктор 23 вращает микрометренный винт 11 и тем самым изменяет угол падения о в направлел нии, соответствующем углу ср. При О( = с(р, когда 2 Ф = д017, в спектре сигнала фотоприемника 20 ис.чезает первая гармоника частоты сд и двигатель 22 останавливается. Значение угла с поворота призмы 8 с жидкостью 9 определяют с помощью лимба 15, изображение которого объективом 17 переносится в плоскость сетки 18 и наблюдается с помощью окуляра 19. Истинное значение псевдокритического угла падения скр определяют ) по формулел, (-:даС БП( )оЗначение измеренной вещественной части Л 2 комплексного показателя преломления л =-ЗХгопределяют по формулеП 2 - И,6 П с ,1179170 Составитель С.ГолубевРедактор Т.Веселова Техред С.11 овжий Корректор И. Эрдей 5654/42 ВНИИПИ Госуда по делам и 113035, Москва, Зак ж 897 Поого комитета СССРний и открытийРаушская наб., д,Тир тве бре -35 сно 5 илиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная Применение призмы Волластона в сочетании с диаФрагмой-разделителем падающего и отраженного пучков позволяет получить не только линейно поляризованный подающий пучок света, но и добиться разделения взаимно ортогональной по отношению к падающему пучку линейно поляризованной компоненты без больших потерь света. Это дает возможность использовать метод НПВО с двукратным отражением света, что значительно увеличивает чувствительность и точность измерений вещественной части комплексного показателя преломления поглощающих сред. Предлагаемое устройство не содержит фазовых пластин и фазовых компенсаторов, что позволяет работать в широком спектральном диапазоне й 4 : 2000 нм с высокой точностью б= ф 5 10 .Автоколлимационная схема устройства позволяет достигать высоких эргономических качеств рефракто О метра. Простота изготовления и высокая точность предлагаемого поляризационного рефрактометра НПВО позволяют считать его перспективным для массового производства взамен 15 существующих такого же класса точности,