|  Поляриметрические методы анализа |
2
Поляризационные устройства и приборы
На многих из перечисленных в разделе явлений
основаны принципы действия разнообразных поляризационных приборов, с помощью
которых не только анализируют состояние поляризации
света, испускаемого внешними источниками, но и
получают требуемую поляризацию и преобразуют одни её виды в другие.
2.1 Простейшие поляризационные устройства
В простейших поляризационных устройствах - поляризаторах для получения полностью или частично
поляризованного света используется одно из трёх физических явлений: поляризация
при отражении света или преломлении света на границе раздела двух прозрачных
сред; линейный дихроизм; двойное лучепреломление.
Свет, отражённый от поверхности, разделяющей
две среды с разными показателями преломления n, всегда частично
поляризован. Если же луч света падает на границу раздела под углом, тангенс которого
равен отношению абсолютных показателей преломления второй и первой сред (их
относительный показатель преломления n=n2/n1), то отражённый луч поляризован полностью. Недостатки отражательных
поляризаторов - малость коэффициента отражения и сильная
зависимость степени поляризации р от угла падения и длины светова.
Преломленный луч также частично поляризован, причём его степени поляризации
монотонно возрастает с увеличением угла падения. Пропуская свет последовательно
через несколько прозрачных плоскопараллельных пластин, можно достичь того, что степень
прошедшего света будет значительна.
Среды, обладающие оптической
анизотропией, по-разному поглощают лучи различных поляризаций. Если толщина
пластинки, вырезанной из анизотропного кристалла (с полосами поглощения в
нужной области спектра) параллельно его оптической оси, достаточна, чтобы один
из лучей поглотился практически нацело, то прошедший через пластинку свет будет
полностью поляризован. Такие поляризаторы называют дихроичными. К ним относятся
и поляроиды, поглощающее вещество которых может быть как кристаллическим, так и
некристаллическим. Важные преимущества поляроидов - компактность, большие рабочие апертуры (максимальные
углы раствора сходящегося или расходящегося падающего пучка, при которых прошедший
свет ещё поляризован полностью) и практически полное отсутствие ограничений в
размере.
Пластинки из оптически анизотропных материалов, вносящие сдвиг фазы
между двумя взаимно перпендикулярными компонентами электрического вектора Е
проходящего через них излучения (соответствующими двум линейным поляризациям),
называют фазовыми, или волновыми, пластинками и предназначены для изменения
состояния поляризации излучения. Так, циркулярные или эллиптическимие поляризаторы
обычно представляют собой совокупность линейного поляризатора и фазовой
пластинки. Для получения света, поляризованного по кругу (циркулярно),
применяют фазовые пластинки, вносящую сдвиг фазы в 90° (пластинка четверть
длины волны). Двулучепреломляющие фазовые пластинки изготовляют как из
материалов с естественной оптической анизотропией (например, кристаллов), так и
из веществ, анизотропия которых индуцируется приложенным извне воздействием - электрическим полем,
механическим напряжением и пр. Применяются также отражательные фазовые пластинки, например ромб Френеля. Принцип их
|
|
Рисунок 2.1 -
Ромб Френеля из оптического стекла.
|
действия основан
на изменении состояния поляризации света при его полном внутреннем отражении.
Преимуществом отражательных фазовых пластинок перед двупреломляющими является
почти полное отсутствие зависимости фазового сдвига от длины волны. В
частности, в ромбе Френеля (рисунок 2.1) при близком к нормальному падении
луча света, поляризованного линейно под углом 45° к плоскости падения,
линейные составляющие луча, поляризованные
параллельно и перпендику-
|
лярно этой
плоскости, при каждом из двух полных внутренних отражений приобретают разность
фаз в одну восьмую периода световой волны. Итоговая разность фаз в одну четвертую
периода (90°) даёт луч, поляризованный по кругу.
Поляризаторы, действие которых основано на
явлении двойного лучепреломления - поляризационные
призмы - рассмотрены в разделе 2.2. Их апертуры меньше, чем у поляроидов, а
габариты, вес и стоимость больше; однако они всё же незаменимы в ультрафиолетовой
области спектра и при работе с мощными потоками оптического излучения.
Все поляризаторы (линейные, циркулярные, эллиптические) могут использоваться
не и как поляризаторы, и как анализаторы. Анализ эллиптически поляризованного
света производят с помощью компенсаторов разности хода, простейшим из которых
является четвертьволновая фазовая пластинка. Часто проблему деполяризации
частично поляризованного излучения обычно решают не истинной деполяризацией
(это сложная задача), а сводят её к созданию тонкой пространственной,
спектральной или временной поляризационной структуры светового пучка.
2.2 Поляризационные
призмы
Поляризационные призмы служат линейными поляризаторами
- с
их помощью получают линейно поляризованное оптическое излучение. Обычно
поляризационные призмы состоят из двух или более трёхгранных призм, по меньшей
мере одна из которых вырезается из оптически анизотропного кристалла.
Конструктивно поляризационные призмы выполняют так, что проходящее через них
излучение должно преодолеть наклонную границу раздела даух сред, на которой
условия преломления света для компонент светового пучка, поляризованных в двух
взаимно перпендикулярных плоскостях, резко различаются [5, 6]. В частности, для
одной из этих компонент на границе раздела могут выполняться условия полного
внутреннего отражения, в результате чего через поляризационную призму проходит
лишь др. компонента. Таковы, например, широко распространённые однолучевые
призмы Николя и Фуко (рисунок 2.2).
|
|
|
|
|
а
|
б
|
|
Рисунок 2.2 - Призма Николя (а,
склейкалей канадским бальзамом, чернение нижней грани призмы поглощает
полностью отражаемый от плоскости склейки о-луч)
и укороченная поляризационная призма Фуко (б, с воздушным промежутком).
Штриховка указывает направление оптических осей кристаллов в
плоскости чертежа;
направления вектора Е указаны на лучах стрелками
(колебания в плоскости рисунка) и точками (колебания перпендикулярны
плоскости рисунка)
|
Двухлучевые поляризационные призмы пропускают
обе взаимно перпендикулярно линейно поляризованные компоненты исходного пучка,
пространственно разделяя их. Чаще всего их изготовляют из исландского шпата
СаСОз, прозрачного в диапазоне длин волн l= 0.2¸2 мкм, и кристаллического кварца SiO2,
прозрачного в диапазоне 0.185¸3.5 мкм.
Призмы, из которых состоят однолучевые поляризационные призмы, склеивают прозрачным
веществом с показателем преломления n»(no+ne)/2. В некоторых[ призмах
их части разделены воздушной прослойкой, что
снижает потери на поглощение.
|
Рисунок 2.3 - Линейный поляризатор из стекла и исландского шпата (оптическая ось
шпата перпендикулярна плоскости рисунка)
|
Применяют поляризационные призмы, в которых
кристаллическая пластинка вклеена между двумя призмами из стекла, показатель
преломления которого близок к большему показателю преломления кристалла (рисунок
2.3). В таких поляризационных призмах проходит обыкновенный луч, а отражается необыкновен-
|
ный. Для того чтобы один из лучей претерпевал на
границе раздела (склейки) полное внутреннее отражение, выбираются определённые
значения преломляющих углов трёхгранных призм и, как правило, определённые ориентации
оптических осей кристаллов, из которых они вырезаны. Такое отражение
происходит, если углы падения лучей на поляризационную призму не превышают
некоторых предельных значений, как в призмах Глана-Томсона (рисунок 2.4), Глана
(рисунок 2.5), Глазебрука (рисунок 2.6), Франка-Риттера Франка-Риттера (рисунок 2.7) и др.
|
|
Рисунок
2.4 -
Поляризационная призма Глана -Томсона. Обозначения на рисунке те же, что и на рисунке 1.8. Клей - канадский бальзам
(апертура полной поляризации e=I1+I2=27,5°)
или льняное масло (e= 41°), a=76.5°. Предельные углы I1 и I2, сумма I1+I2 называется апертурой полной поляризации поляризационной призмы; её
величина существенна при работе с поляризационными призмами в сходящихся
пучках излучения
|
|
|
Рисунок
2.5 - Поляризационная
призма Глана. Обозначения те же, что и на рисунке 1.8, АВ - воздушный промежуток;
оптические оси обеих трёхгранных призм перпендикулярны плоскости рисунка
|
|
Рисунок 2.6 - Поляризационная призма Глазебрука. Обозначения те же, что и
на рисунке 1.8; оптические оси кристаллов обеих прямоугольных призм
перпендикулярны плоскости рисунка; при склейке в плоскости АВ
канадским
бальзамом угол a=12.1°, льняным маслом -14°, глицерином - 17.3°
|
|
Рисунок 2.7 - Поляризационная призма Франка-Риттера: а - вид сбоку, б - вид
по ходу луча. Обозначения те же, что и на рисунке 1.8; клей -канадский бальзам;
оптические оси кристаллических прямоугольных призм направлены под
углом 45°
к плоскости рисунка а и под углом 90° к плоскости колебаний вектора Е
необыкновенного луча (его плоскости поляризации)
|
Среди двухлучевых поляризационных призм
распространены также призмы Рошона, Сенармона, Волластона и некоторые др. (рисунок
2.8). Один из двух пропускаемых лучей в поляризационных призмах Рошона и Сенармона
не меняет своего направления, другой (необыкновенный) отклоняется на угол q~5¸6°,
сильно зависящий от длины волны света: q=(nо-ne)tga, где a -
преломляющий угол трёхгранных призм. Поляризационная призма Волластона даёт
удвоенный угол расхождения лучей 2q» 10°,
причём при перпендикулярном падении отклонения лучей симметричны; эта
поляризационная призма применяется в поляризационных фотометрах, спектрофотометрах
и поляриметрах. Угол а в поляризационной призме из исландского шпата близок к
30°, из кристаллического кварца - к 60°.
|
Рисунок 2.8 - Двухлучевые
поляризационные призмы: а - Рошона; б
- Сенармона;
в -
Волластона; г -призма из исландского шпата и стекла; д - Аббе.
Штриховка указывает направление оптических осей кристаллов в
плоскости рисунка;
точки означают, что оптическая ось перпендикулярна плоскости рисунка;
стрелки и точки на лучах указывают направления колебаний вектора Е
|
Таким образом, для поляризационных призм, как
правило, характерны незначительная апертура полной поляризации, однако они
практически лишены хроматической аберрации. В поляризационных призмах со
скошенными гранями проходящий луч испытывает параллельное смещение, поэтому при
вращении призмы вокруг луча последний также вращается. От этого и некоторых
иных недостатков свободны призмы в форме прямоугольных параллелепипедов. В то
же время, не смотря на высокую стоимость и относительно большие размеры,
поляризационные призмы незаменимы при работе в УФ области спектра и в мощных
потоках оптического излучения и позволяют получать однородно поляризованные
пучки, степень поляризации которых лишь примерно на 10-5 отличается от 1.
2.3 Приборы для поляризационно-оптических исследований
В настоящее время существует множество
приборов для поляризационно-оптических исследований, которые отличает
чрезвычайное разнообразие как сфер применения, так и конструктивного оформления
и принципов действия. Их используют для фотометрических и пирометрических измерений,
кристаллооптических исследований, изучения механических напряжений в
конструкциях, в микроскопии, в поляриметрии и сахариметрии, в скоростной фото-
и киносъёмке, геодезических устройствах, в системах оптической локации и оптической
связи, в схемах управления лазеров, для физических исследований электронной
структуры атомов, молекул и твёрдых тел и др. Описанию многих из этих приборов
посвящены отдельные работы. Мы дадим лишь краткий обзор некоторых основных классов
подобных приборов.
Элементом большинства поляризационных
приборов является схема, состоящая из последовательно расположенных на одной
оси линейного поляризатора и анализатора. Если их плоскости поляризации взаимно
перпендикулярны, схема не пропускает света (установка на гашение). Изменение
угла между этими плоскостями приводит к изменению интенсивности проходящего
через систему света по Малюса закону (пропорционально квадрату косинуса угла).
Особое удобство этой схемы для сравнения и измерения интенсивностей световых
потоков обусловило её преимущественное применение в фотометрических
поляризационных приборов - фотометрах
и спектрофотометрах (как с визуальной, так и с фотоэлектрической регистрацией).
Поляризационные приборы представляют собой основные элементы оборудования для
кристаллооптических и иных исследований сред, обладающих оптической
анизотропией - естественной или наведённой. При таких исследованиях
широко применяются поляризационные микроскопы, позволяющие на основе визуальных
наблюдений делать выводы о характере и величине оптической анизотропии
вещества. Для прецизионного анализа оптической анизотропии и её зависимости от
длины волны излучения применяются автоматические приборы с фотоэлектрической
регистрацией. Практически всегда при количественном анализе анизотропии
требуется сопоставить оптические свойства среды для двух ортогональных
поляризаций - линейных, если измеряется линейный дихроизм
или линейное двулучепреломление, и круговых при измерении дихроизма или вращения
плоскости поляризации. Это сопоставление в электронной схеме прибора производится
на достаточно высокой частоте, удобной для усиления сигнала и подавления шумов.
Поэтому поляризационные приборы такого назначения часто включают поляризационный
модулятор.
Поляризационные приборы служат для обнаружения
и количественного определения степени поляризации частично поляризованного
света. Простейшими из них являются полярископы — двулучепреломляющие пластинки,
в которых используется интерференция света в сходящихся поляризованных лучах
(хроматическая поляризация). Типичный полярископ - полярископ Савара, который состоит из двух склеенных
пластинок кристаллического кварца одинаковой толщины d, вырезанных так,
что их оптические оси составляют с осью полярископа углы в 45° (пластинка
Савара), и жестко связанного с ней анализатора, плоскость поляризации которого
направлена под углом 45° к главным сечениям этой пластинки.
Чрезвычайно существенную роль в химических и
биофизических исследованиях играет обширный класс приборов, служащий для
измерения вращения плоскости поляризации в средах с естественной или наведённой
магнитным полем оптической активностью (поляриметры) и дисперсии этого вращения (спектрополяриметры). Относительно простыми, но
практически очень важными являются сахариметры - приборы для измерения содержания сахаров и некоторых
других оптически активных веществ в растворах.
Самые точные из полярископов позволяют
обнаружить примесь поляризованного света к естественному, составляющую доли процента.
В качестве примера рассмотрим один из
простейших круговых поляриметров - поляриметр
СМ-3, который предназначен для определения угла поворота плоскости поляризации
в жидких оптически активных веществах (его оптическая схема показана на рисунке
2.9).
Страницы: 1, 2, 3, 4
|
© 2009 Все права защищены.
Наверх