Спосіб вимірювання кута повороту площини поляризації світлового променя в оптично активних мутних середовищах і пристрій для його реалізації

1. Спосіб вимірювання кута обертання площини поляризації світла в мутних активних середовищах, при якому досліджуване середовище розміщують на шляху монохроматичного пучка світла між поляризатором та роздільником світлового променя на два, пройшовши який світлові промені потрапляють на аналізатори, орієнтовані під кутами ± відносно площини найбільшого пропускання поляризатора, потім інтенсивність обох променів перетворюється фотоприймачами в напругу, після чого перемикач полярності перетворює напругу в змінний електричний сигнал, далі обертають поляризатор до зникнення змінного електричного C2 2 (11) 1 3 ляції площини поляризації світла. Існуючі модулятори обмежують або ширину спектрального діапазону досліджуваного світла, або амплітуду кута повороту площини поляризації світла [2]. Незважаючи на високу чутливість і точність однопроменевого фотополяриметра, його не завжди можна використовувати при вимірюваннях в мутних деполяризуючих середовищах, де потрібні великі кути розгойдування площини поляризації. Тому була запропонована ідея двопроменевого методу реєстрації кута повороту площини поляризації без використання фарадеївського модулятора кута повороту площини поляризації. Цей спосіб та пристрій описані в патенті Японії №6072807 [3] і модифіковані в патенті Росії RU 2325630C1 [4]. На Фіг.1 наведена структурна схема відомого пристрою [3, 4], який реалізує двопроменевий спосіб реєстрації кута повороту площини поляризації. Ця схема містить монохроматичне джерело світла 1, кювету 3 з досліджуваним розчином, яка встановлена в робочому промені між простим поляризатором 2 і поляризатором 4, виконаним у вигляді призми Волластона, яка розщеплює промінь світла на два з інтенсивностями II і ІII з взаємоортогональними площинами поляризації. Призма Волластона розщеплює промені, орієнтовані за азимутом під кутами ±45° відносно площини найбільшого пропускання поляризатора 4. Далі по ходу променів встановлені однакові фотоприймачі 8, 9, на які падають промені відповідно першого і другого каналів. До фотоприймачів 8, 9 приєднані окремо підсилювачі електричних сигналів UI і UII, які створюються променями першого і другого каналів. Підсилювачі знаходяться в електронному блоці 10, який з'єднаний з індикатором 11. Блок 10 містить також формувач різниці сигналів UI-UII, суми сигналів UI+UII і блок визначення відношення UI UII . Потім за формулою Q=p·sin визнаQ UI UII чають кут повороту площини поляризації світла , заздалегідь вимірявши р, наприклад як вказано в патенті [4], де р - ступінь поляризації світлового променя досліджуваним зразком. У [4] запропоновано вимірювати Q з досліджуваним зразком, потім плавно докручувати поляризатор в протилежному за азимутом напрямі на кут - , щоб компенсувати кут повороту в досліджуваному середовищі, при цьому сигнал зникає і Q=0. Таким чином, відбувається компенсація кута повороту площини поляризації світла і досягається рівність інтенсивностей променів в двох каналах ІI=ІII. Потім видаляють з пучка світла кювету з досліджуваною речовиною, досягнутий баланс інтенсивностей порушується, оскільки досліджуваний зразок відсутній, а поляризатор залишився поверненим на кут - . Одночасно відбувається збільшення інтенсивності світла пучків ІI, ІII, оскільки відсутня кювета (досліджуваний зразок) поглинання, розсіяння і деполяризація відсутні. Шуканий кут визначають значно точніше за формулою Q=sin (p=1). У цій формулі відсутня похибка, пов'язана з вимірюванням р. Проте залишається істотна похибка, пов'язана з вимірюванням Q, а саме 92836 4 Q 2 U0 . U0 При цьому, вважаємо UI≈UII=U0. Реально похибка у визначенні амплітуди U0 не перевищує одного відсотка, отже похибка U0 у визначенні буде лише більшою, оскільки U0 Q (при малих Q ). U0 2 1 Q2 Нами пропонується спосіб і вимірювальний пристрій (Фіг.2), який значно збільшує потенційні можливості найбільш близького аналога [4]. Для цього замість призми Волластона, яка розщеплює промінь на два променя з азимутами кожного під кутами +45° і -45° відносно азимута поляризатора, встановлюється напівпрозора пластинка 4, яка розділяє промінь на два променя з однаковими інтенсивностями. Потім ці промені проходять через аналізатори, які розгорнуті за азимутом на певний кут ± , такий, щоб відношення сигнал до шуму системи було максимальним (Фіг.3). Цей кут , як буде показано нижче, визначається тільки коефіцієнтом р, тобто ступенем поляризації (деполяризації) променя досліджуваною речовиною. Це дозволяє чутливість двопроменевого фотополяриметра підняти до рівня однопроменевого фотополяриметра і точність при цьому значно збільшиться (хоча і не досягне точності однопроменевого фотополяриметра). Пристрій містить джерело світла 1, поляризатор 2, кювету 3 з досліджуваним розчином, напівпрозору пластинку 4, відбиваюче дзеркало 5, аналізатори 6 та 7, фотоприймачі 8 та 9, блок 10, який містить підсилювач, блок порівняння та ключ, періодичним відкриттям якого модулюється сигнал, що надходить на індикатор 11. Пристрій працює таким чином. Досліджуване середовище 3 розміщають в монохроматичний пучок світла, який створює джерело 1 між поляризатором 2 і роздільником світлового променя на два 4, пройшовши який один з променів одразу потрапляє на аналізатор 6, а інший, відбившись від відбиваючого дзеркала 5, потрапляє на аналізатор 7, обидва аналізатора орієнтовані під кутами ± відносно площини найбільшого пропускання поляризатора, такими щоб відношення сигналу до шуму було максимальним, потім інтенсивність обох променів перетвориться фотоприймачами 8 та 9 в напругу, а перемикачем полярності 10 напруга перетвориться на змінний електричний сигнал. Потім обертають поляризатор 2 до зникнення змінного електричного сигналу і за певним алгоритмом обчислюється шуканий кут обертання. Величини напруги на виході фотоприймачів 6, 7 дорівнюють UI U'0 1 p cos 2 ; (1 a, б) ' UII U'0 1 p cos 2 ; де - азимут поляризатора 4. Сума і різниця напруг відповідно будуть дорівнювати: 5 92836 UI UII U U'0 ' U'0 U'0 ' U'0 p cos 2 UI UII U U'0 ' U'0 U'0 ' U'0 p cos 2 Добиваємося рівності амплітуд U '0 За цієї умови вираз (2 а, б) спроститься U 2U0 1 p cos 2 U cos 2 6 cos 2 U'0 ' U'0 p sin 2 sin 2 ; cos 2 U'0 ' U'0 sin 2 . ' U '0 ; U0 . 45 p sin sin 2 . 1 p cos 2 cos 2 U Проте ми не вимірюємо Q, а добиваємося зникнення U-=0. Це можливо за умови, коли поляризатор 4 докрутили у зворотний бік - =0. Проте, абсолютно точно цю умову виконати не можна ізза шумів - = . Обчислимо похибку , виходячи з умови відношення сигнал-шум рівно одиниці 2 U2 p 2 sin 2 2 S C А 1 (4) N U2 U2 1 p cos 2 T ДР де UC=U- - корисний сигнал; U2ДР>>U2T - дробовий шум набагато більше темнового шуму, оскільки із-за деполяризації в мутному середовищі на фотокатод потрапляє велика паразитивна світлова інтенсивність; А - стала, яка залежна від параметрів фотоприймача. З (4) визначаємо 1 1 p cos 2 A p sin 2 (5) 1 1 . Ap Проаналізувавши функцію (5), можна довести, Коли =45° (прототип), то що , при якому 1 p cos 2 p sin 2 ватиметься за умови 45 мінімально, викону 1 1 1 p2 (6) p Підставляємо (6) в рівняння (5) і отримуємо cos 2 4 1 p2 1 A p2 1 A 1 1 p2 4 1 p2 2 1 p2 1 1 p2 2 1 1 A 2 1 1 1 p2 З рівнянь і представленого графіка (Фіг.4) видно, що якщо не підстроювати а до значень за формулою (6), заздалегідь вимірявши р, а користуватися прототипом, коли =45°, то чутливість і точність будуть значно меншими. 1 1 A 2 1 , 1 p2 1 1 U Q (2 а, б) Дійсно 1 1 , 45 Ap (3 а, б) 2U0p sin 2 sin 2 . Значення Q при цьому дорівнює p sin 2 45 p 2 1 p2 1 При р=1 45 . 1 . 2 При р=0 1. 45 Оптимальні значення p sin 2 Q 45 ; 1 . p sin 2 sin 2 Q . 1 Q sin 2 1 cos 2 2 Q 45 1 1 1 p2 1 p2 2 1 2 p p 1 1 p2 2 Q 1 2 1 p 1. Q 45 8 Q При p 1 1 1 p2 1. Q 45 Таким чином, не дивлячись на те, що 45> ми маємо Q45