DE1189758B - Arrangement for measuring the degree of polarization of light, in particular for registering the degree of polarization of luminescent light - Google Patents
Arrangement for measuring the degree of polarization of light, in particular for registering the degree of polarization of luminescent lightInfo
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Description
Anordnung zur Messung des Polarisationsgrades von Licht, insbesondere zur Registrierung des Polarisationsgrades von Lumineszenzlicht Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung des Polarisationsgrades von Licht, insbesondere zur Registrierung des Polarisationsgrades von Lumineszenzlicht, bei der das zu analysierende, teilweise polarisierte Licht einen mit der Winkelgeschwindigkeit 19 rotierenden Analysator und darauf einen gegen die Richtung der Maximal- bzw. Minimalamplitude des teilweise polarisierten Lichts um den Winkel ß verdrehten, feststehenden Polarisator durchläuft. Diese Anordnung führt die Messung des Polarisationsgrades auf die Messung der Phasendifferenz zweier elektrischer Wechselströme zurück, vermeidet dadurch die Mängel der bisher bekannten Methoden und eignet sich insbesondere zur Registrierung von Lumineszenzpolarisationsspektren, die die Abhängigkeit des Polarisationsgrades von Lumineszenzlicht von der Wellenlänge des linear polarisierten Erregerlichts angeben.Arrangement for measuring the degree of polarization of light, in particular for registering the degree of polarization of luminescent light The invention relates to an arrangement for measuring the degree of polarization of light, in particular for registration the degree of polarization of luminescent light, at which the to be analyzed, partially polarized light an analyzer rotating at angular velocity 19 and then one against the direction of the maximum or minimum amplitude of the partial polarized light rotated by the angle ß, passes through fixed polarizer. This arrangement leads the measurement of the degree of polarization to the measurement of the phase difference two electrical alternating currents back, thereby avoiding the shortcomings of the previous known methods and is particularly suitable for registering luminescence polarization spectra, the dependence of the degree of polarization of luminescent light on the wavelength of the linearly polarized excitation light.
Die genaue Kenntnis dieser Spektren ist von großem Interesse, da sie eine wertvolle Ergänzung der Absorptions- und Emissionsspektroskopie von Lösungen darstellen. Der Polarisationsgrad P ist dabei folgendermaßen definiert: Ip - Is P = . (1) Ip + Is Dabei bedeutet Ip bzw. Is die Intensität des Lumineszenzlichts, das parallel bzw. senkrecht zur Schwingungsrichtung des linear polarisierten Erregerlichts schwingt. Im allgemeinen Fall sind 10 und 16 die beiden senkrecht zueinander polarisierten Komponenten des teilweise polarisierten Lichts, zwischen denen der größte Intensitätsunterschied besteht. The exact knowledge of these spectra is of great interest, there they are a valuable addition to the absorption and emission spectroscopy of solutions represent. The degree of polarization P is defined as follows: Ip - Is P =. (1) Ip + Is where Ip or Is means the intensity of the luminescent light, that is parallel or perpendicular to the direction of oscillation of the linearly polarized excitation light swings. In the general case 10 and 16 are the two polarized perpendicular to each other Components of partially polarized light between which there is the greatest difference in intensity consists.
Folgende Methoden zur Messung des Polarisationsgrades sind bisher bekanntgeworden: 1. Kompensation des teilweise polarisierten Anteils der Lumineszenzstrahlung mit Hilfe einer oder mehrerer schräg durchstrahlter Glasplatten. The following methods for measuring the degree of polarization have been used so far become known: 1. Compensation of the partially polarized portion of the luminescence radiation with the help of one or more diagonally irradiated glass plates.
2. Messung der Komponenten 10 und 16, die durch einen um 90" drehbaren Analysator oder ein Wollaston- oder Rochonprisma voneinander getrennt werden. 2. Measurement of components 10 and 16 by a 90 "rotatable Analyzer or a Wollaston or Rochon prism.
Die Anwendung dieser Methoden zur Registrierung von Polarisationsspektren wird durch folgende prinzipielle Mängel erschwert oder unmöglich gemacht: Mit der Methode des schräg durchstrahlten Glasplattensatzes lassen sich höchstens Polarisationsgrade bis P = 0,3 messen. Außerdem erfordern negative Polarisationsgrade eine Schwenkung der Drehachse des Glasplattensatzes um 90". Eine Registrierung des Polarisationsgrades ist aus diesen Gründen nicht möglich. The application of these methods to register polarization spectra is made difficult or impossible by the following fundamental defects: With the The method of the obliquely irradiated glass plate set allows at most degrees of polarization Measure up to P = 0.3. In addition, negative degrees of polarization require pivoting the axis of rotation of the glass plate set by 90 ". A registration of the degree of polarization is not possible for these reasons.
Die Methode der Messung der Komponenten 10 und I6 ist zur Messung kleiner Polarisationsgrade wegen der dann im Zähler von Gleichung (1) auftretenden Differenz zweier etwa gleich großer, fehlerbehafteter Größen ungeeignet. Die Anwendung des um 90" drehbaren Analysators erlaubt in jedem Fall nur ein punktweises Ausmessen der Polarisationsspektren. Außerdem ist das aus dem Analysator austretende Licht bei den beiden zeitlich nacheinander erfolgenden Messungen der Komponenten 10 und 18 in verschiedenen Richtungen polarisiert, weshalb meist eine nachträgliche Korrektur der Meßwerte nicht zu umgehen ist. Die Anwendung eines Wollaston- oder Rochonprismas führt wegen der Aufteilung des Lumineszenzlichts in zwei räumlich getrennte Strahlen zu einem komplizierten Meßaufbau. Die technische Aufgabe wurde aus diesen Gründen in der Schaffung einer Vorrichtung gesehen, die es gestattet, den Polarisationsgrad ohne die genannten Nachteile zu messen und insbesondere zu registrieren. The method of measuring components 10 and I6 is for measuring smaller degrees of polarization because of the then occurring in the numerator of equation (1) Difference between two approximately equally large, error-prone sizes unsuitable. The application The 90 "rotatable analyzer only allows point-by-point measurements the polarization spectra. Also is the light emerging from the analyzer in the two measurements of the components 10 and 10, which take place one after the other in time 18 polarized in different directions, which is why a subsequent correction is usually necessary the measured values cannot be avoided. The use of a Wollaston or Rochon prism leads because of the division of the luminescent light into two spatially separated beams a complicated measurement setup. The technical problem was for these reasons seen in the creation of a device that allows the degree of polarization without measuring and in particular registering the disadvantages mentioned.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenlage g des aus dem feststehenden Polarisator austretenden Wechsellichtanteils der Frequenz 2 w in an sich bekannter Weise gemessen und der zu bestimmende Polarisationsgrad P entsprechend der Formel P = sin 24 tan çcos 24 ermittelt wird. The inventive solution to this problem is characterized by that the phase position g of the alternating light component emerging from the fixed polarizer the frequency 2 w measured in a manner known per se and the degree of polarization to be determined P is determined according to the formula P = sin 24 tan çcos 24.
Diese Aufgabe wird mittels der in A b b. 1 dargestellten Vorrichtung gelöst: Das teilweise polarisierte Licht, dargestellt durch seine Komponenten Ip und Is, durchläuft zuerst einen mit der Winkelgeschwindigkeit co rotierenden Analysator 1, den es mit der Intensität I' verläßt. Sodann durchläuft es einen feststehenden Polarisator 2, dessen Polarisationsrichtung um den Winkel ß gegen die Richtung von Ip verdreht ist und den es mit der Intensitzt 1" verläßt. This task is carried out by means of the methods described in A b b. 1 shown device solved: The partially polarized light, represented by its components Ip and Is, first passes through an analyzer rotating at the angular velocity co 1 it leaves with the intensity I '. Then it passes through a fixed one Polarizer 2, whose Direction of polarization by the angle ß against the direction of Ip is twisted and which it leaves with the intensity 1 ".
Die Intensitäten I' und 1" errechnen sich folgendermaßen: I' = Ip cos² α + Ig sin² α, (2) I" = I' cos² (α - ß), (3) α = # t. (4) Mit cos² α = ½ + ½ cos 2 α und sin² α = ½ - ½ cos 2 α läßt sich Gleichung (2) folgendermaßen schreiben: I' = ½ [(Ip + Ig) + (Ip - Ig) cos 2 α]. (5) Mit cos² (α - ß) = ½ + ½ cos(2 α - 2 ß) und cos² (2 α - ß) = cos 2 α . cos 2 ß + sin 2 α . sin 2 ß läßt sich Gleichung (3) folgendermaßen schreiben: I' I" = (1 + cos 2 α . cos 2 ß + sin 2 α . sin 2 ß). The intensities I 'and 1 "are calculated as follows: I' = Ip cos² α + Ig sin² α, (2) I "= I 'cos² (α - ß), (3) α = # t. (4) With cos² α = ½ + ½ cos 2 α and sin² α = ½ - ½ cos 2 α leaves write equation (2) as follows: I '= ½ [(Ip + Ig) + (Ip - Ig) cos 2 α]. (5) With cos² (α - ß) = ½ + ½ cos (2 α - 2 ß) and cos² (2 α - ß) = cos 2 α. cos 2 ß + sin 2 α. sin 2 ß equation (3) write as follows: I 'I "= (1 + cos 2 α. cos 2 ß + sin 2 α. sin 2 ß).
(6) Einsetzen von (5) in (6) ergibt: I" = [(Ip + Ig) + (Ip - Ig) cos 2 α + (Ip + ig) cos 2 α . cos 2 ß + (Ip - ig) cos² (2 α) . cos 2 ß 4 + (Ip + Ig) sin 2 α . sin 2 ß + (Ip - Ig) cos 2 α . sin 2 α . sin 2 ß]. (6) Substituting (5) into (6) gives: I "= [(Ip + Ig) + (Ip - Ig) cos 2 α + (Ip + ig) cos 2 α. cos 2 ß + (Ip - ig) cos² (2 α). cos 2 ß 4 + (Ip + Ig) sin 2 α. sin 2 β + (Ip - Ig) cos 2 α. sin 2 α. sin 2 ß].
Mit sin 2 α . cos 2 α = ½ sin 4 α cos² (2 α) = ½ + ½ cos 4 α; 3° und Gleuchung (4) ergibt sich schließlich: Dieser Ausdruck enthält: 1. Glieder, die sich zeitlich nicht ändern; 2. Glieder, die sich periodisch mit der Frequenz 2 w ändern; 3. Glieder, die sich periodisch mit der Frequenz 4 w ändern.With sin 2 α. cos 2 α = ½ sin 4 α cos² (2 α) = ½ + ½ cos 4 α; 3 ° and equation (4) finally results: This expression contains: 1. terms that do not change over time; 2. terms that change periodically with the frequency 2 w; 3. Members that change periodically with the frequency 4 w.
Das aus dem feststehenden Polarisator 2 austretende Licht setzt sich also aus einem Gleichlichtanteil, einem Wechsellichtanteil der Frequenz 2 # und einem Wechsellichtanteil der Frequenz 4 w zusammen. The light emerging from the fixed polarizer 2 settles thus from a constant light component, an alternating light component of the frequency 2 # and an alternating light component of frequency 4 w.
Im folgenden wird nur noch der Wechsellichtanteil der Frequenz 2 # betrachtet. Er besteht nach Gleichung(7) aus einer Cosinusschwingung A cos 2w t mit der Amplitude A = (Ip + Is) + (Ip + Is) cos 2 ß und einer Sinusschwingung B sin 2wt mit der Amplitude B = (Ip + Ig) sin 2 ß, die sich zu einer resultierenden phasenverschobenen Schwingung C . sin (2 # t + #) zusammensetzen. In the following only the alternating light component of frequency 2 # considered. According to equation (7), it consists of a cosine oscillation A cos 2w t with the amplitude A = (Ip + Is) + (Ip + Is) cos 2 ß and a sinusoidal oscillation B sin 2wt with the amplitude B = (Ip + Ig) sin 2 ß, resulting in a phase shifted oscillation C. combine sin (2 # t + #).
Dabei errechnen sich die resultierende Amplitude C und die Phasenverschiebung #: in bekannter Weise zu: Mit Gleichung (1) ergibt sich: oder P + cos 2 ß tan # = . (9) sin 2 ß Die Phasenverschiebung # des Wechsellichts der Frequenz 2w steht also nach Gleichung (9) mit dem Polarisationsgrad P des eintretenden Lichts in dem eindeutigen Zusammenhang P = sin 2 ß . tan # - cos 2 ß . (10) Die Messung des Polarisationsgrades ist somit auf eine Phasenmessung zurückgeführt worden.The resulting amplitude C and the phase shift #: are calculated in the known way as: With equation (1) we get: or P + cos 2 ß tan # =. (9) sin 2 β According to equation (9), the phase shift # of the alternating light of frequency 2w has the unambiguous relationship P = sin 2 β with the degree of polarization P of the incoming light. tan # - cos 2 ß. (10) The measurement of the degree of polarization has thus been traced back to a phase measurement.
Gleichung (10) vereinfacht sich für ß = 45" zu: P = tan. (11) Für diesen Fall wird auch die Empfindlichkeit der Messung, die durch den Ausdruck df definiert ist, dP am größten.Equation (10) simplifies for ß = 45 "to: P = tan. (11) For In this case, the sensitivity of the measurement, which is indicated by the expression df is defined, dP is greatest.
Man wird also in der Praxis eine Anordnung mit dem Winkel ß = 45" bevorzugen. So in practice you will find an arrangement with the angle ß = 45 " prefer.
Die Phasenmessung erfolgt dabei zweckmäßigerweise auf elektrischem Wege. The phase measurement is expediently carried out electrically Ways.
Dies soll in A b b. 2 an Hand eines Ausführungsbeispieles erläutert werden: Das zu analysierende Licht durchläuft entsprechend A b b. 1 zuerst den rotierenden Analysator 1. Er ist mit einer Halterung eingespannt, die von einem elektrischen Synchronmotor 3 über eine Zahnraduntersetzung angetrieben wird. Nach Durchlaufen des feststehenden Polarisators 2 fällt es auf einen Sekundärelektronenvervielfacher 4, mit dessen Hilfe es in einen seiner Intensität I" proportionalen elektrischen Strom umgewandelt wird. Dieser Strom hat also einen zeitlichen Verlauf entsprechend Gleichung(7). Er wird in einem Wechselstromverstärker 5 weiterverstärkt und dann einem phasenempfindlichen Gleichrichter 6 zugeleitet, mit dem die Phasenlage der Schwingung der Frequenz 2 w festgestellt werden soll. Zur Steuerung des Gleichrichters wird eine gleichfrequente, kohärente Schwingung benötigt, die in einfacher Weise mit Hilfe einer zweiflügeligen Sektorenblende 7 gewonnen wird, die mit der Halterung des rotierenden Analysators 1 starr verbunden ist und das Licht einer Glühlampe 8 mit der Frequenz2 moduliert. Die Umwandlung in einen elektrischen Strom geschieht in einer Photozelle 9. Dieser Strom der Frequenz 2w kann mit Hilfe eines Phasenschiebers 10 in genau meßbarer Weise durch Verändern eines Drehpotentiometers 11 in seiner Phasenlage geschoben werden. Der phasenempfindliche Gleichrichter liefert dann keine Ausgangsgleichspannung, wenn die Phasendifferenz zwischen den beiden eingespeisten Schwingungen der Frequenz 2 # genau 90" beträgt. Die Schwingung der Frequenz 4w, die außerdem gemäß Gleichung(7) vom Sekundärelektronenvervielfacher 4 geliefert wird, bleibt dabei ohne Einfluß auf die Ausgangsspannung des Gleichrichters. Die Messung der Phasenlage der Schwingung der Frequenz 2 w in Gleichung(7) und damit die Messung des Polarisationsgrades gemäß Gleichung (11) erfolgt somit nach einer Nullmethode. This should be in A b b. 2 explained using an exemplary embodiment be: The light to be analyzed passes through according to A b b. 1 first the rotating Analyzer 1. It is clamped to a bracket held by an electrical Synchronous motor 3 is driven via a gear reduction. After going through of the fixed polarizer 2, it falls on a secondary electron multiplier 4, with the help of which it turns into an electrical proportional to its intensity I " Electricity is converted. This current therefore has a corresponding time profile Equation (7). It is further amplified in an AC amplifier 5 and then fed to a phase-sensitive rectifier 6, with which the phase position of the Oscillation of frequency 2 w is to be determined. To control the rectifier a coherent oscillation of the same frequency is required, which can be done in a simple manner is obtained with the help of a two-leaf sector diaphragm 7, which is connected to the bracket of the rotating analyzer 1 is rigidly connected and the light of an incandescent lamp 8 modulated with frequency2. The conversion into an electric current takes place in a photocell 9. This current of frequency 2w can with the help of a phase shifter 10 in a precisely measurable manner by changing a rotary potentiometer 11 in its Phased shift. The phase-sensitive rectifier then does not provide any DC output voltage when the phase difference between the two fed Oscillations of frequency 2 # is exactly 90 ". The oscillation of frequency 4w, which is also supplied by the secondary electron multiplier 4 according to equation (7) remains without any influence on the output voltage of the rectifier. the Measurement of the phase position of the oscillation of frequency 2 w in equation (7) and thus the measurement of the degree of polarization according to equation (11) is thus carried out after a Zero method.
Die zum Nullabgleich erforderliche Einstellung des Drehpotentiometers ii steht in eindeutigem Zusammenhang mit dem zu messenden Polarisations- grad. Dieser Nullabgleich kann mit Hilfe der Ausgangsspannung des phasenempfindlichen Gleichrichters, die zur Steuerung eines mit dem Drehpotentiometer 11 mechanisch gekuppelten Servomotors 12 verwendet wird, selbsttätig vorgenommen werden. Eine Registrierung des Polarisationsgrades ist auf diese Weise ohne weiteres möglich.The setting of the rotary potentiometer required for zero adjustment ii is clearly related to the polarization to be measured grad. This one Zero adjustment can be done with the help of the output voltage of the phase-sensitive rectifier, for controlling a servo motor mechanically coupled to the rotary potentiometer 11 12 is used, can be made automatically. A registration of the degree of polarization is easily possible in this way.
Die beschriebene Meßmethode eignet sich somit zur selbsttätigen Aufnahme von Polarisationsspektren. The measurement method described is therefore suitable for automatic recording of polarization spectra.
Sie zeichnet sich dabei durch ihren einfachen Aufbau, die Anwendbarkeit der bewährten Hilfsmittel der Wechselstrommeßtechnik und durch uneingeschränkte Leistungsfähigkeit im gesamten Meßbereich von -1(P(+laus.It is characterized by its simple structure and applicability the tried and tested aids in alternating current measurement technology and unrestricted Efficiency in the entire measuring range from -1 (P (+ laus.
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1962
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