DE1134843B - Messanordnung fuer Brechungsindizes - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

P 16146 IXa/42h

ANMELDETAG: 26. A P R I L 1956

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABEDER AUSLEGESCHRIFT: 16. AUGUST 1962

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordnung zur Ermittlung der räumlichen Änderung des Brechungsindex eines Mediums. Die genaue Bestimmung der Brechungsindizes und ihrer Gradienten, vor allem in geschichteten Lösungen, hat sich als ein außerordentlich erfolgreiches Hilfsmittel für zahlreiche wissenschaftliche Untersuchungen erwiesen. Bei physikochemischen Untersuchungen benutzt man häufig genaue Messungen des Brechungsindex η, um daraus Schlüsse auf andere Eigenschaften des zu untersuchenden Stoffes, beispielsweise Konzentration, Temperatur und Druck zu ziehen. Ein typisches Beispiel solcher physikochemischer Probleme, bei welchem man mit der Bestimmung des Brechungsindex η arbeitet, ist die Messung von Elektrophorese-Erscheinungen. Wenn in einer elektrisch nichtleitenden Lösung z. B. kolloidale Teilchen enthalten sind, so entstehen bekanntlich an der Oberfläche solcher Teilchen elektrische Doppelschichten, die ihre Ursache in Berührungsspannungen haben, wie sie auch in allbekannter Weise beim Reiben eines Hartgummistabes auftreten. Infolge dieser Berührungsspannungen werden die Kolloidteilchen elektrisch aufgeladen, während sich andererseits in der umgebenden Flüssigkeit gegenpolig geladene Ionen bilden. Beim Anlegen eines elektrischen Feldes setzt eine Wanderung der auf diese Weise entstandenen Ladungsträger ein, welche nun wieder von der Ladung und der Art der Ladungsträger abhängt. Bei einer Lösung, welche mehrere verschiedene Arten solcher Ladungsträger enthält, bilden sich auf diese Weise als Fronten der Ladungsträgerwanderung Grenzflächen, die sich jeweils durch eine Änderung des Brechungsindex η darstellen. Man kann nun aus der Anzahl der Grenzflächen und der Größe der Brechungsindex-Änderungen Rückschlüsse auf die Natur der beobachteten Lösung ziehen, z. B. auf die Anzahl der vorhandenen Ladungsträgertypen ihre Art, Konzentration o. ä.

Ein bekanntes und verbreitetes Verfahren zur Bestimmung solcher Brechungsindex-Änderungen ist die sogenannte »Toeplersche Schlierenmethode«. Dieses Verfahren macht Gebrauch von der Tatsache, daß ein Lichtstrahl in einem inhomogenen Medium eine Ablenkung erfährt, die dem Gradienten des Brechungsindex η proportional ist. Man durchleuchtet dabei die Probe mit einem Lichtbündel, welches in einem Punkt gesammelt wird, in dessen unmittelbarer Höhe eine lichtundurchlässige Blende angeordnet ist, die einen Teil des Raumwinkels abdeckt. Gleichzeitig wird ein reelles Bild der Probe erzeugt. Durch die Blende werden nun die die Abbildung erzeugenden Strahlenbündel um so mehr auf- oder abgeblendet, Meßanordnung für Brechungsindizes

Anmelder:

The Perkin-Elmer Corporation, Norwalk, Conn. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. F. Pommer, Rechtsanwalt, Düsseldorf-Gerresheim, Heyestr. 56

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 28. April 1955 (Nr. 504 473)

Kurt Wilhelm Opperman, Stamford, Conn.

(V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

je mehr sie infolge der Inhomogenität der Probe aus ihrer Anfangsrichtung abgelenkt werden. Somit äußern sich schlecht sichtbare Änderungen des Brechungsindex η als deutlich erkennbare Helligkeitsunterschiede.

Die Ablenkung eines Lichtstrahles in Abhängigkeit vom grad« ist leicht zu verstehen. Bekanntlich ist die Phasengeschwindigkeit des Lichtes umgekehrt proportional dem Brechungsindex«. Wenn sich nun der Brechungsindex innerhalb einer Lichtwellenfront (Fläche gleicher Phase) in einer Richtung ändert, so wird die Phase im Gebiet des höheren η zurückbleiben, im Gebiet mit niedrigem η voreilen. Die Phasenfläche wird also eine Drehung in Richtung auf den höheren Brechungsindex hin ausführen, was in der Sprache der geometrischen Optik einer Ablenkung des Lichtstrahles entspricht.

Die Ablenkung der Lichtstrahlen in Abhängigkeit vom Gradienten des Brechungsindex ist bei geschichteten Medien auch schon zur optischen Aufzeichnung einer Kurve von grad η in Abhängigkeit von der Koordinate ausgenutzt worden. Zu diesem Zweck hat man durch das Medium ein vorzugsweise paralleles Strahlenbündel geschickt, dessen einzelne Teilbündel in Abhängigkeit von grad« abgelenkt wurden. Die Strahlenbündel traten dann je nach dem Ablenkungswinkel in verschiedener Höhe durch einen diagonal verlaufenden Spalt. Hinter diesem Spalt wurde ein

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astigmatisches Linsensystem vorgesehen, welches so tischen Linsensystem ein Interferenzfeld längs einer bemessen war, daß es in der zur Richtung des zu grad-n-Kurve »abgeschnitten« wird. Damit erhält messenden Brechungsindex-Gradienten parallelen man eine Darstellung für η und gradn übereinander Richtung die Probe in der dazu senkrechten Richtung auf einer gemeinsamen photographischen Platte, den schrägen Spalt reell abbildet. In der einen Rieh- 5 Diese Anordnung hat nun aber wieder den Nachteil, tang wird auf diese Weise die an der Probe ange- daß die Interferenzlinien, die ein Maß für η liefern, bracht gedachte Koordinatenskala verhältnisrichtig »abgeschnitten« werden. Es ist ja aber doch gerade dargestellt. In der anderen Richtung entspricht die wünschenswert, daß man die Interferenzlinie von Auslenkung des entsprechenden Bildpunktes dem Anfang bis zu Ende verfolgen kann. Schnittpunkt zwischen dem betreffenden gemäß io Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine grad η abgelenkten Strahlenbündel und dem schrägen Anordnung zu schaffen, bei welcher man ein voll-Spalt. Dessen Abstand von der Mittelebene ist aber ständiges Feld von Interferenzlinien erhält, dem eine — je nach der Neigung des Spaltes — auch propor- grad-n-Kurve überlagert ist. Erfindungsgemäß wird tional grad n. Das heißt aber nichts anderes, als daß zu diesem Zweck bei einer Meßanordnung zur Erdas astigmatische Linsensystem ein reelles Bild er- 15 mittlung der räumlichen Änderung des Brechungszeugt, das einer graphischen Darstellung des gradn index eines Mediums, bei welcher Lichtstrahlenin Abhängigkeit von der Koordinate entspricht. bündel, die durch das Medium hindurchtreten und Ein anderes sehr genaues Verfahren besteht darin, nach Maßgabe des Brechungsindex-Gradienten abgedaß man ein System von Interferenzstreifen erzeugt, lenkt werden, auf ein senkrecht zur optischen Achse das je nach dem Verlauf des Brechungsindex ver- 20 angeordnetes optisches Element mit einer schräg zur zerrt wird. Richtung des Brechungsindex-Gradienten verlaufen-Bei einer bekannten Anordnung dieser Art benutzt den optischen Trennlinie auftreffen, und bei welchem man als Lichtquellen eine Vielzahl paralleler und dann durch ein astigmatisches Linsensystem eine dem äquidistanter, durch einen Kondensor beleuchteter Verlauf des Brechungsindex-Gradienten entspre-Spalte, die eine Vielzahl kohärenter Lichtquellen dar- 25 chende optisch aufgezeichnete Kurve erzeugt wird, stellen. Es ist ein Objektiv vorgesehen, welches so während die Lichtbündel gleichzeitig ein in Abhängigbemessen ist, daß es diese Spalte auf einem Schirm keit vom Verlauf des Brechungsindex selbst ver- oder einer photographischen Platte abbildet. Zwi- zerrtes Interferenzfeld bilden, als optisches Element sehen Objektiv und Schirm ist ein Paar von Beu- ein an sich bekannter lichtdurchlässiger Phasenteiler, gungsspalten vorgesehen, so daß auf dem Schirm von 30 dessen schräge Trennlinie durch eine sprunghafte jedem Lichtspalt eine Beugungsfigur gezeichnet Änderung seiner optischen Dicke bestimmt ist, verwird. Die Abstände der Lichtspalte sind in bezug auf wendet, so daß ein vollständiges Interferenzfeld mit die übrige Anordnung so gewählt, daß sich die ein- einer überlagerten grad-n-Kurve entsteht, zelnen Beugungsfiguren gegenseitig nicht stören, Es erscheint dann tatsächlich in der Beobachtungssondern verstärken. Wenn man nun hinter einem der 35 ebene eine grad-n-Aufzeichnung, die einem voll-Beugungsspalte eine Probe mit konstantem Brechungs- ständigen Feld von Interferenzlinien überlagert ist. index bringt, so wird — wie man leicht einsieht — Wenn man nämlich beispielsweise den optischen das ganze Beugungsbild entsprechend diesem Bre- Dickenunterschied der beiden Hälften des Phasenchungsindex verschoben. teilers gleich einer halben Wellenlänge des benutzten Man hat nun, um auch geschichtete Proben be- 40 Lichtes oder einem ungeraden Vielfachen davon nutzen zu können, eine Zylinderlinse vorgesehen, macht, dann werden bei der Abbildung der Trennderen Achse senkrecht zur Richtung des Brechungs- linie des Phasenteilers die beiderseits dicht neben index-Gradienten grad η ist und die bewirkt, daß in dieser Trennlinie durchtretenden Strahlenbündel mitder Richtung von grad η die Probe und in der dazu einander interferieren und sich gegenseitig aussenkrechten Richtung weiterhin die Lichtspalte auf 45 löschen. Es wird deshalb durch das astigmatische dem Schirm abgebildet werden. Wie man sich leicht Linsensystem in der schon geschilderten Weise eine überlegen kann, erhält man damit auf dem Schirm dunkelere grad-n-Kurve erzeugt werden. Anderertatsächlich ein nach Maßgabe des Brechungsindex seits hindert der Phasenteiler den Durchtritt der selbst verzerrtes System von Interferenzstreifen. Strahlen in keiner Weise, so daß sich gleichzeitig ein Es sind Anordnungen bekannt, bei denen beide 50 vollständiges Feld von Interferenzlinien ausbilden Erscheinungen, also Toepler-Schlieren bzw. eine mit kann, denen die grad-n-Kurve einfach überlagert ist. einem astigmatischen Linsensystem gezeichnete Es ist bereits bekannt, die eingangs geschilderte grad-n-Kurve und ein solches Interferenzstreifen- Toeplersche Schlierenmethode dadurch zu verbessern, System gleichzeitig getrennt nebeneinander beobacht- daß an Stelle der üblicherweise als Blende verwenbar sind. Das hat den Nachteil, daß man oft nur 55 deten lichtundurchlässigen Halbebene eine Phasenschlecht die zusammengehörigen Stellen in den platte vorgesehen ist, welche einen Phasensprung um beiden erzeugten Abbildungen zusammenfinden kann. 180° bewirkt. Das geschieht dort zu dem Zweck, die Die grad-n-Kurve soll ja nun gerade vor allem den Beugungserscheinungen zu vermeiden, welche bei der Vorteil bieten, daß sie die Stufen von n, die natürlich Verwendung einer lichtundurchlässigen Blende oder eine gewisse Anstiegbreite haben und sich bei dicht 60 Halbebene auftreten. Demgegenüber wird mit der Erhintereinanderliegenden Grenzschichten in den Inter- findung angestrebt und erreicht, daß ein vollständiges ferenzstreifen leicht etwas verwischen, als Maxima Feld von Interferenzlinien von einer optisch aufgedeutlicher sichtbar macht. Dieser Vorteil wird durch zeichneten »grad-n-Kurve« überlagert ist. diese Schwierigkeit der Zuordnung zumindest teil- Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines weise zunichte gemacht. 65 Ausführungsbeispieles erläutert:

Es ist nun auch schon eine Anordnung vorge- Fig. 1 zeigt schematisch schaubildlich eine erfin-

schlagen worden, bei welcher mittels einer schrägen dungsgemäße Anordnung zur Messung von Elektro-

Halbfeldblende in Verbindung mit einem astigma- phorese-Erscheinungen in einer Tiselius-Zelle.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer mit einer solchen Anordnung erzeugten Interferenzfeldes mit überlagerter, optisch aufgezeichneter grad-tt-Kurve.

Mit 10 ist eine monochromatische Lichtquelle, z. B. eine Quecksilberdampflampe, bezeichnet. Deren Licht wird durch eine Kondensorlinse 11 auf einen Schirm 12 mit einer Vielzahl paralleler, in gleichem Abstand voneinander angeordneter Spalte 13 geleitet.

Hinter dem Schirm 12 ist ein weiterer lichtundurchlässiger Schirm 14 mit einem horizontalen Begrenzungsschlitz 15 und eine Sammellinse 16 angeordnet.

Eine Tiselius-Zelle 19 steht mit zwei Schenkeln in einem thermostatisch geregelten Flüssigkeitsbad 18.

Vor dem Temperaturbad 18 ist ein lichtundurchlässiger Schirm 17 angeordnet, in welchem vier vertikale Schlitze 20,21 vorgesehen sind, welche den Durchgang der Strahlen zu den Schenkeln der Zelle 19 freigeben. In hier nicht dargestellter Weise wird natürlich bei der Messung jeweils ein Schenkel der Zelle abgedeckt.

Hinter dem Temperaturbäd ist ein senkrecht zur optischen Achse orientierter Phasenteiler 22 angeordnet. Dieser Phasenteiler 22 besteht aus einer flachen lichtdurchlässigen Scheibe, die einerseits (23) einer schrägen Trennlinie 25 um ein ungradzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge des benutzten Lichtes optisch dicker ist als auf der anderen Seite

24 dieser Trennlinie 25. Zwischen dem Phasenteiler 22 und einer Photoplatte 28 ist ein astigmatisches Linsensystem vorgesehen, welches aus einer sphärischen Linse 26 und einer Zylinderlinse 27 besteht. Die Linsen sind so dimensioniert, daß die sphärische Linse 26 allein die Probe 19 und die Zylinderlinse 27 zusammen mit der sphärischen Linse 26 den Phasenteiler 22 in der Beobachtungsebene 28 reell abbildet.

Der Brechungsindex der Flüssigkeit im Temperaturbad 18 ist zweckmäßigerweise so gewählt, daß er wenigstens annähernd mit dem der Probe übereinstimmt.

Die Wirkungsweise der geschilderten Anordnung ist folgende:

Die von der Lichtquelle 10 von hinten durchleuchteten Spalte 13 stellen eine Vielzahl von kohärenten, in gleichem Abstand voneinander angeordneten Lichtquellen dar. Durch die Schlitze 20 bzw. 21, von denen, wie gesagt, jeweils zwei abgedeckt sind, gelangen ein Teil durch die zu untersuchende Probe, ein Teil durch einen Vergleichsstoff mit konstantem Brechungsindex. Der durch die Brechungsindex-Unterschiede bedingte Unterschied in den optischen Weglängen verzerrt die von den Spaltpaaren 20, 21 erzeugten Beugungsbilder in Abhängigkeit vom Verlauf des Brechungsindex der zu untersuchenden Probe. In der Beobachtungsebene 28 entsteht dann ein Interferenzbild, wie es in Fig. 2 angedeutet ist.

Gleichzeitig wird bei der Abbildung der Trennlinie

25 mit Hilfe des astigmatischen Linsensystems 26, 27

in der oben geschilderten Weise ein grad-K-Schrieb gezeichnet, und zwar einmal durch die Strahlenbündel, welche durch die zu untersuchende Probe geleitet werden, zum anderen durch die Strahlenbündel, welche den Vergleichsstoff durchsetzen. Die ersten liefern einen Schrieb, welcher dem Verlauf des Brechungsindex-Gradienten in der Probe entspricht, die letzteren einen Schrieb grad-n-Null, also eine sehr wichtige Null-Linie für den grad-w-Schrieb.

Beide Schriebe sind dem vollständigen System von Interferenzlinien einfach überlagert. Da man durch die Interferenzlinien ein Maß für η erhält, wird also bei der beschriebenen Anordnung eine direkte Darstellung von η und grad η übereinander erhalten, wobei keinerlei Zuordnungsschwierigkeiten auftreten.

Wie man sieht, tritt z. B. bei 30 eine starke Änderung von η auf. Die Interferenzstreifen laufen stark nach außen. Dort zeigt aber auch die grad-n-Kurve ein ausgeprägtes Maximum. Bei 31 verlaufen die Interferenzstreifen parallel, was auf einen konstanten Brechungsindex hindeutet. Entsprechend ist auch die grad-«-Kurve Null.

Die Erfindung ist hier vor allem an Hand der Untersuchungen von Flüssigkeiten, insbesondere von Elektrophorese-Untersuchungen erläutert. Es ist selbstverständlich, daß man die Erfindung auch in anderen Fällen mit Vorteil anwenden kann, also auch bei der Untersuchung von festen Körpern oder Gasen.

Der Phasenteiler 22 wird zweckmäßigerweise so ausgebildet, daß auf einen scheibenförmigen lichtdurchlässigen Körper konstanter Dicke einerseits einer schrägen Trennlinie eine durchsichtige Schicht aufgebracht ist, deren optische Dicke einem ungeraden Vielfachen der halben Wellenlänge des benutzten Lichtes entspricht.

Claims (11)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Meßanordnung zur Ermittlung der räumlichen Änderung des Brechungsindex eines Mediums, bei welcher Lichtstrahlenbündel, die durch das Medium hindurchtreten und nach Maßgabe des Brechungsindex-Gradienten abgelenkt werden, auf ein senkrecht zur optischen Achse angeordnetes optisches Element mit einer schräg zur Richtung des Brechungsindex-Gradienten verlaufenden optischen Trennlinie auftreffen, und bei welchem dann durch ein astigmatisches Linsensystem eine dem Verlauf des Brechungsindex-Gradienten entsprechende optisch aufgezeichnete Kurve erzeugt wird, während die Lichtbündel gleichzeitig ein in Abhängigkeit vom Verlauf des Brechungsindex selbst verzerrtes Interferenzfeld bilden, dadurch gekennzeichnet, daß als optisches Element ein an sich bekannter lichtdurchlässiger Phasenteiler, dessen schräge Trennlinie durch eine sprunghafte Änderung seiner optischen Dicke bestimmt ist, verwendet wird, so daß ein vollständiges Interferenzfeld mit einer überlagerten grad-72-Kurve entsteht.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu untersuchende Medium von einer Tiselius-Zelle gebildet wird, wobei der Brechungsindex-Gradient Grenzschichten aufzeigt, die durch Elektrophorese entstehen.

3. Meßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das astigmatische Linsensystem von einer sphärischen Linse in Verbindung mit einer Zylinderlinse gebildet wird.

4. Meßanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Zylinderlinse parallel zur Richtung des zu messenden Brechungsindex-Gradienten liegt.

5. Meßanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die sphärische Linse die Probe und die Zylinderlinse den Phasenteiler in der Beobachtungsebene reell abbildet.

6. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle ein von einer monochromatischen Lichtquelle durchleuchtetes Gitter dient.

7. Meßanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitterraster parallel zur Richtung des zu messenden Brechungsindex-Gradienten ist.

8. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vergleichsprobe mit konstantem Brechungsindex vorgesehen ist, mittels welcher von dem gleichen optischen System eine Bezugslinie für den Brechungsindex-Gradienten aufgezeichnet wird.

9. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die von einer monochromatischen Lichtquelle ausgehenden Strahlenbündel auf eine Doppelspaltanordnung geleitet werden, wobei hinter einem der Spalte die zu untersuchende Probe angeordnet ist.

10. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenteiler von einen scheibenförmigen Körper gebildet wird, welcher einerseits einer schrägen Trennlinie um ein ungerades Vielfaches einer halben Wellenlänge des benutzten Lichtes optisch dicker ist als auf der anderen Hälfte.

11. Meßanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf einen scheibenförmigen lichtdurchlässigen Körper konstanter Dicke einerseits einer schrägen Trennlinie eine durchsichtige Schicht aufgebracht ist, deren optische Dicke einem ungeraden Vielfachen der halben Wellenlänge des benutzten Lichtes entspricht.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 914 788;

USA.-Patentschriften Nr. 2 703 033, 2 412 602;

britische Patentschrift Nr. 705 760;

Zeitschrift für Naturforschung, 1951, Bd. 6 a, S. 510, 511;

Ann. d. Physik, 1950, 6. Folge, Bd. 7, S. 182 bis 192.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 209 630/133 8.