DE2549689A1 - Fotoelektrisches polarimeter mit phasenmodulation - Google Patents

Description

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Centraine Laboratorium Optyki, Warschau /Polen

Fotoelektrisches Polarimeter mit Phasenmodulation

Die Erfindung bezieht sich auf ein fotoelektrisches Polarimeter mit Phasenmodulation bestehend aus einem festen Polarisator für einen Modulator, einem drehbaren Analysator, einem Fotodetektor und einem Verstärker sowie einem vor dem Analysator angebrachten Viertelwellenplättchen. Ein solches Polarimeter ist zum automatischen Messen der Phasennacheilung in doppelbrechenden Elementen nach dem Senarmontschen Verfahren mit Phasenmodulation bestimmt.

Bisher bekannte fotoelektrische Polarimeter zum Messen der Phasenacheilung in doppelbrechenden Elementen sind Polarimeter mit konstantem Licht mit unmittelbarer Kompensation und Halbschattenpolarimeter sowie Polarimeter mit Phasenmodulation.

Die ersteren enthalten gewöhnlich eine konstante Lichtquelle, einen festen Polarisator und einen Analysator in gekreuzter ■ Lage sowie einen dazwischen angebrachten Kompensator und die zu untersuchende Substanz. Indem man in bekannter Weise die

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Phasennacheilung des !Compensators ändert, kann man die Phasennacheilung in der zu untersuchenden Substanz völlig kompensieren und dadurch ein Minimum an Licht am Ausgang aus dem System erhalten.

Die Systeme mit konstantem Licht werden im Senarmontschen Verfahren ausgenutzt, wo zwischen dem festen Polarisator und dem drehbaren Analysator ein Vxertelwellenplattchen angeordnet ist, dessen Hauptachse mit der Richtung des linear polarisierten, aus dem Polarisator austretenden Lichts übereinstimmt. Die zu untersuchende Substanz wird derart zwischen den Polarisator und das Viertelwellenplättchen gebracht, daß die Hauptachse der Probe mit der Schwingungsrichtung des Polarisators einen Winkel von 45 bildet. Das aus dem Viertelwellenplättchen austretende Licht wird in diesem Falle linear polarisiert. Dagegen ist der Winkel, um welchen der Polarisator zu drehen ist, um eine völlige Löschung zu erhalten, die Hälfte des Winkels der Phasennacheilung in der Probe und für den Fall, daß die Phasennacheilung größer als 3 60° ist, ein Zusatz zu einem bestimmten Vielfachen von 360°.

Die erwähnten Systeme mit konstantem Licht sind verhältnismäßig einfach im Aufbau, haben jedoch eine geringe Genauigkeit im Hinblick auf eine große Zone der Unempfindlichkeit im Bereich des Minimums der Lichtstärke.

Halbschattenpolarimeter sind im Aufbau ähnlich den Polarimetern mit unmittelbarer Kompensation mit dem Unterschied, daß in das System zwischen den Polarisator und den Analysator ein zusätzliches Polarisationselement eingesetzt ist, durch welches ein Teil des Lichtbündels geht.

Auf diese Weise treten im Gesichtsfeld hinter dem Analysator zwei Zonen auf, die in der Gleichgewichtslage mit gleicher Intensität beleuchtet sind. Das Einbringen der zu untersuchenden Probe stört die Gleichgewichtslage, und man erhält eine neue Lage durch

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Änderung der Phasennacheilung des Kompensators oder durch eine Drehung des Analysators.

Die Lichtstärke in beiden Zonen kann fotoelektrisch verglichen und gleich gemacht werden, wodurch die Gleichgewichtslage wiederhergestellt wird. Systeme dieser Art erfordern jedoch eine äußert genaue Justierung, eine perfekte Homogenität der zu untersuchenden Probe und der optischen Elemente des Systems und eine gleichmäßige Beleuchtung, wobei gleichzeitig die Messung kleiner Flächen der Probe unmöglich ist.

Die fotoelektrischen Polarimeter mit Phasenmodulation weisen diese Nachteile nicht auf. Sie arbeiten gewöhnlich in der Senarmontschen Anordnung, vorausgesetzt, daß sich vor der zu untersuchenden Probe ein Modulator befindet, der seine Phasennacheilung periodisch mit der Frequenz f von positiven zu negativen Werten ändert. Diese Phasennacheilung wird abwechselnd zur Nacheilung in der zu untersuchenden Probe addiert oder subtrahiert. Im Ergebnis wird die Polarisationsebene des Lichts hinter dem Viertelwellenplättchen periodisch geändert und schwankt symmetrisch um denselben Winkel im Verhältnis zur richtigen Lage der Polarisationsebene ohne Anwesenheit des Modulators. Infolgedessen wird der fotoelektrische Detektor, der sich hinter dem Analysator befindet, welcher in einer gekreuzten Lage zu dem Polarisator angeordnet ist, ohne Anwesenheit der Probe ein Signal mit der Frequenz 2f empfangen, während die Maxima des Frequenzverlaufs gleich sein werden.

Das Einbringen der Probe zwischen den Modulator und das Viertelwellenplättchen bewirkt eine Drehung der Polarisationsebene um einen gewissen Winkel; gleichzeitig wird in der elektrischen Schaltung des Fotodetektors ein zusätzliches Signal mit der Frequenz f erscheinen. Dieses Signal steuert nach Verstärkung die Drehung des Analysators, der sich solange dreht, bis das Signal mit der Frequenz f verschwindet und die Maxima des Signalverlaufs mit der Frequenz 2f gleich werden.

Dies entspricht der Lage, bei welcher der Analysator mit der Polarisationsrichtung des Lichtbündels hinter dem Viertelwellenplättchen gekreuzt ist und der Winkel der Drehung des Analysators die Hälfte des Winkels der Phasennacheilung in der Probe bildet.

Bekannt sind Verfahren zur Phasenmodulation des Lichtbündels unter Verwendung von elektrooptischen und mechanischen Modulatoren. Die elektrooptischen Modulatoren sind Kerrzellen, Pockelzellen oder piezoelektrische Elemente, in denen unter dem Einfluß eines äußeren elektrischen Feldes oder magnetischen Feldes eine erzwungene Doppelbrechung und damit eine bestimmte Phasennacheilung bewirkt wird.

Bei Verwendung von elektrooptischen Modulatoren lassen sich Größe und Frequenz der Modulation beliebig steuern. Derartige Modulatoren sind jedoch verhältnismäßig teuer und schwer herzustellen, und außerdem lassen sie sich zur Modulation von Lichtbündeln mit großem Durchmesser nicht verwenden.

Mechanische Modulatoren sind meistens periodisch verschiebbare Kompensatoren oder doppelbrechende Plättchen, die leicht herstellbar und billiig sind. Der Nachteil dieser Modulatoren besteht in der Schwierigkeit des Erzielens einer ideellen Verschiebesymmetrie. Die doppelbrechenden Plättchen sollen homogen und frei von jeglichen Verunreinigungen sein, da solche durch unterschiedliche Brechungen das Lichtbündel beeinflussen und zusätzliche Störungen des elektrischen Signals hervorrufen.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer billigen und leicht herstellbaren Konstruktion eines fotoelektrischen Polarimeters mit Phasenmodulation mit einem Modulator, der keine Materialien von hohem Grad an Homogenität und Reinheit erfordert und die Modulation von Lichtbündeln mit kleinem und großem Durchmesser ermöglicht.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das

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Polarimeter einen Modulator mit Bezugsphasensystem in Form eines doppelbrechenden Elementes mit konstanter Phasennacheilung aufweist, welcher um die Achse des Lichtbündels rotiert, daß das Signal vom Fotodetektor nach Verstärkung einen phasenempfindlichen Motor steuert, dessen Bezugsphase mit der Drehung des doppelbrechenden Elementes verbunden ist, daß der phasenempfindliche Motor den Antrieb für den Analysator darstellt und diesen um den Winkel der Drehung der Polarisationsebene hinter dem Viertelwellenplättchen dreht, und daß der Analysator mit einer Vorrichtung, welche die Größe dieser Drehung mißt, verbunden ist.

Das doppelbrechende Element des Modulators rotiert um die Achse des Lichtbündels mit konstanter Frequenz f, wobei es mit einem System verbunden ist, welches die Lage der Hauptachsen dieses Elements im Verhältnis zur Polarisationsrichtung des Polarisators,im folgenden Bezugsphasensystem genannt, anzeigt.

Während einer vollen Umdrehung decken sich die Hauptachsen des doppelbrechenden Elemente viermal mit der Poiarisationsrichtung des Polarisators, wobei dessen Phasennacheilung zweimal zu der Phasennacheilung der zu untersuchenden Probe addiert oder subtrahiert wird. Auf diese Weise wird eine Phasenmodulation mit der Frequenz 2f eingeführt.

In dem Falle, daß der Analysator hinter dem Viertelwellenplättchen zur Polarisationsrichtung des Lichtes, das aus dem Viertelwellenplättchen austritt ohne Anwesenheit des Modulators vertikal eingestellt ist, erscheint nach dem Einführen des Modulators an dem Fotodetektor hinter dem Analysator nur ein Signal mit der Frequenz 4f und die Maxima des Verlaufs dieses Signals sind gleich.

Im Falle einer Änderung im System, z.B. durch Einbringen oder Herausnehmen der Probe, wird auf dem Fotodetektor ein Signal mit der Frequenz 2f erscheinen, das im Verhältnis zum Bezugs-

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signal, welches im System der Bezugsphase entsteht und auch die Frequenz 2f hat, verzögert oder beschleunigt ist. Beide Signale werden zum phasenempfindlichen Motor gegeben, der den Analysator solange dreht, bis das Signal mit der Frequenz 2f abklingt und die Maxima des Signals mit der Frequenz 4f gleich werden. Der Winkel der Drehung des Analysators nach dem Einbringen der Probe entspricht der Hälfte der Phasennacheilung in der zu untersuchenden Probe.

Das erfindungsgemäße Polarimeter ermöglicht durch entsprechende Wahl der Phasennacheilung des doppelbrechenden Elements des Modulators eine beliebige Formung der Modulationsamplitude. Das doppelbrechende Element des Modulators kann sowohl aus homogenen Materialien als aus solchen, die nicht ideell homogen sind, z.B. doppelbrechenden Folien, bestehen, wodurch verhältnismäßig große aktive Durchmesser des modulierten Bündels erhalten werden können,

Nicht nachteilig sind auch eventuelle Verunreinigungen des doppelbrechenden Elements des Modulators, da die aktive Oberfläche des Modulators während der ganzen Zeit im Bereich des Bündels bleibt und infolgedessen der Fotodetektor keine durch Inhomogenität der Phasennacheilung oder Verunreinigungen hervorgerufenen Signale anzeigt.

Das System der Bezugsphase ist zweckmäßig unmittelbar mit dem Modulator in der Weise verbunden, daß das doppelbrechende Element des Modulators sich zusammen mit den Flügeln eines Flügelteils dreht, welche abwechselnd den Fotodetektor und eine Lichtquelle, welche einander gegenüber angeordnet sind, verdecken und freigeben.

Als Ergebnis hiervon erscheint am Ausgang des Fotodetektors ein Rechtecksignal, dessen Frequenz der Frequenz der Verdeckungen des Fotodetektors entspricht. Im Falle eines Flügelteils mit zwei einander gegenüber angeordneten Flügeln wird die Frequenz der Phase der Modulationsfrequenz gleich 2f sein.

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Durch geeignete Wahl gegenseitiger Anordnung der optischen Achse des doppelbrechenden Elementes und der Flügel des Flügelteils erhält man ein in der Zeit konstantes Signal der Bezugsphase, welches genau den Moment bestimmt, in dem sich die optische Achse des Modulators mit der Polarisationsrichtung des Polarisators deckt.

Die Verwendung eines Bezugsphasensystems, welches unmittelbar mit dem Modulator verbunden ist, bewirkt, daß das System unempfindlich gegen eventuelle Frequenzänderungen während der Arbeit des Modulators wird, da sich die Frequenz der Bezugsphase in gleicher Weise ändert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 ein Schema eines fotoelektrischen Polarimeters vom Typ Senarmont mit Phasenmodulation,

Fig. 2a einen Modulator mit Bezugsphasensystem in Frontansicht, und

Fig. 2b eine Seitenansicht des Modulators nach Fig. 2a.

In dem System nach Fig. 1 geht ein aus einer Quelle 1 austretendes Lichtbündel durch Satz von Filtern 2, welcher eine bestimmte Wellenlänge durchläßt, und hierauf durch einen festen Polarisator 3, der das Licht linear polarisiert. Hinter dem Polarisator 3 befindet sich ein Modulator 4 mit Bezugsphasensystem, welches die Lage der Hauptachsen des Modulators während dessen Drehung bestimmt. Der Modulator 4, der aus einem doppelbrechenden Element 13 mit konstanter Phasennacheilung hergestellt ist, wird von einem Motor 5 angetrieben und rotiert mit der Frequenz f um die Achse des Lichtbündels. Hinter dem Modulator 4 befindet sich die zu untersuchende Probe 6, die in solcher Weise orientiert ist,

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daß ihre Hauptachse einen Winkel von 45 mit der Richtung der Schwingungen des aus dem Polarisator 3 austretenden Lichts bildet.

Das Meßelement ist ein drehbarer Analysator 7, dem ein festes Viertelwellenplättchen 8 vorangeht, dessen Hauptachse mit der Schwingungsrichtung des Polarisators 3 übereinstimmt. Das aus dem Analysator 7 austretende Lichtbündel fällt auf einen Fotodetektor 9, von welchem die Signale nach Verstärkung in einem Verstärker 10 zu einem phasenempfindlichen Elektromotor 11 geführt werden. Dem Elektromotor 11 wird auch die Bezugsphase vom Bezugsphasensystem, das mit dem Modulator 4 verbunden ist, zugeführt. Der Motor 11 dreht den Analysator 7, wenn vom Verstärker 10 Signale mit der Frequenz 2f ankommen oder wenn die Maxima der Signale mit der Frequenz 4f verschiedene Werte haben, wobei die Größe der Drehung mit einer Vorrichtung 12 gemessen und abgelesen wird. Der doppelte Winkel der Drehung des Analysators 7 nach Einbringen der Probe 6 entspricht der Phasennacheilung in Graden.

Der Modulator 4 mit Bezugsphasensystem kann in Form der Anordnung nach Fig. 2 aufgebaut sein. Das doppelbrechende Element 13 ist in einer Fassung 14 angebracht, an welcher zwei Flügel eines Flügelteils 15 in Art einer Windmühle einander gegenüber befestigt sind, wobei jeder Flügel einen Viertelkreis überdeckt. Die Flügel des Flügelteils 15 rotieren zusammen mit dem doppelbrechenden Element 13 und laufen durch einen Bügel 16. In diesem Bügel 16 sind eine konstante Lichtquelle 17 und Fotodetektor 18 einander gegenüber befestigt, wobei die Flügel des Flügelteils 15 beim Drehen den Fotodetektor 18 gegenüber der Lichtquelle 17 verdecken und freigeben. Am Ausgang des Fotodetektors 18 erscheint somit ein elektrisches Signal mit der Frequenz 2 f.

Eine entsprechende Einstellung der Kanten der Flügel des Flügelteils 15 im Verhältnis zur Hauptachse des doppelbrechenden Elementes 13 sowie des Bügels 16 ermöglicht eine geeignete Wahl der Bezugsphase.

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Claims (2)

1. - 9 P atentansprüche

   1 .J Fotoelektrisches Polarimeter mit Phasenmodulation bestehend aus einem festen Polarisator für einen Modulator, einem drehbaren Analysator, einem Fotodetektor und einem Verstärker sowie einem vor dem Analysator angebrachten Viertelwellenplättchen, dadurch gekennz ei chnet, daß das Polarimeter einen Modulator (4) mit Bezugsphasensystem in Form eines doppelbrechenden Elementes (13) mit konstanter Phasennacheilung aufweist, welcher um die Achse des Lichtbündels rotiert, daß das Signal vom Fotodetektor (9) nach Verstärkung einen phasenempfindlichen Motor (11) steuert, dessen Bezugsphase mit der Drehung des doppelbrechenden Elementes (13) verbunden ist, daß der phasenempfindliche Motor (11) den Antrieb für den Analysator (7) darstellt und diesen um den Winkel der Drehung der Polarisationsebene hinter dem Viertelwellenplättchen (8) dreht, und daß der Analysator (7) mit einer Vorrichtung (12),welche die Größe dieser Drehung mißt, verbunden ist.
2. 2. Polarimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Modulator (4) mit Bezugsphasensystem eine Einheit vorgesehen ist, in welcher das doppelbrechende Element (13) in einer Fassung (14) zusammen mit zwei Flügeln eines Flügelteils (15) befestigt ist, wobei jeder der Flügel einen Viertelkreis überdeckt und die Flügel zusammen mit dem doppelbrechenden Element (13) durch einen Bügel (16) laufen, in welchem eine konstante Lichtquelle (17) und der Fotodetektor (18) einander gegenüber derart befestigt sind, daß sie im Verhältnis zueinander während der Drehung des doppelbrechenden Elementes (13) durch die Flügel des Flügelteils (15) verdeckt und freigegeben werden, und daß der Lagen der Hauptachse des doppelbrechenden Elementes (13), der Flügel des Flügelteils (15) sowie des Bügels (16)zueinander nach Wahl veränderbar sind.

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