DE1285761B

DE1285761B - Optical element with multiple reflections

Info

Publication number: DE1285761B
Application number: DEN25480A
Authority: DE
Inventors: Harrick Nicolas James
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1963-09-11
Filing date: 1964-09-08
Publication date: 1968-12-19
Also published as: DE1772690B2; NL6410301A; SE315750B; DE1772690A1; CH440751A; CH455315A; GB1080114A; DK108597C; BE652878A; GB1080112A; DK107449C

Description

tritts- und Austrittsflächen nahezu parallel zueinander _I0 winkel (■) die Zahl der Reflexionen JV und der Bresind und der Winkel zwischen den Schenkeln des chungsindex η folgenden Bedingungen entsprechen:step and exit surfaces almost parallel to each other _I0 angle (■) the number of reflections JV and the Bresind and the angle between the legs of the chungsindex η correspond to the following conditions:

V-fÖrmigen Körpers nahezu das Zweifache des Einfallswinkels der Strahlung beträgt, der selbst größer als der Grenzwinkei ist.V-shaped body is almost twice the angle of incidence of the radiation, which is itself larger than the limit angle is.

Ein solches Element ist aus »Physical Review Letters« vom März 1960 bekannt und eignet sich zur Untersuchung der physikalischen und chemischen Eigenschaften von Oberflächen mit Hilfe frustierter Totalreflexion. Bei dieser Vorrichtung wird Ultrarotstrahlung auf die Endfläche eines optischen EIements gerichtet, das unter einem derartigen Winkel geschliffen ist, daß das StraWungsbündel auf eine der Grenzflächen dieses Elements unter einem Winkel auftritt, der größer als der Grenzwinkel ist, so daß Totalreflexion auftritt und das Bündel zu einer gegenüberliegenden reflektierenden Grenzfläche reflektiert wird, auf die es gleichfalls unter einem Winkel auftritt, der größer als der Grenzwinkel ist, so daß wiederum Totalreflexion auftritt usw. In dem vorstehend erwähnten Artikel ist beschrieben worden, daß das Bündel, das sich durch Mehrfachreflexion an den Grenzflächen durch das ganze optische Element.hindurch ausbreitet, jedesmal auch in der Nähe einer reflektierenden Grenzfläche in das dünnere,Such an element is known from "Physical Review Letters" from March 1960 and is suitable to study the physical and chemical properties of surfaces with the help of frustrated Total reflection. In this device, ultrared rays are applied to the end face of an optical element directed, which is ground at such an angle that the StraWungsbündel on a of the interfaces of this element occurs at an angle which is greater than the critical angle, so that Total internal reflection occurs and the bundle reflects to an opposing reflective interface on which it also occurs at an angle which is greater than the critical angle, so that again total internal reflection occurs, etc. In the above-mentioned article it has been described that the bundle that is reflected by multiple reflections at the interfaces through the whole optical Element. Spreads through it, each time also in the vicinity of a reflective interface into the thinner,

Wenn θ zwischen 0 und 45° liegt, gelten die FormelnIf θ is between 0 and 45 °, the formulas apply

N{n-2)N {n-2)

cos 2 θ = cos 2 θ =

tiN - 4n + 4 tiN - 4n + 4

N = — cosec Θ ctg θ+ 2(1— ctg² θ), N = - cosec Θ ctg θ + 2 (1— ctg ² θ) ,

und wenn Θ zwischen 45 und 90° liegt, gelten die Formelnand when Θ is between 45 and 90 ° the formulas apply

sin Θ = j/'-l undsin Θ = j / '- l and

JV =JV =

nd ■ cos Θ nd ■ cos Θ

Die Erfindung wird nunmehr an Hand der Zeichnung näher erläutert, in derThe invention will now be explained in more detail with reference to the drawing, in which

F i g. 1 schematisch eine Ansicht einer Ausführungsform eines optischen Elements nach der Erfindung zeigt, bei der keine Defokussierung des Strahlungsd. h. optisch weniger dichte, an das optische Element 35 bündeis auftritt und das austretende Bündel koaxial angrenzende Medium eindringt, wobei bei oder in zum einfallenden Bündel ist, und
der Nahe von molekularen Resonanzfrequenzen eine F i g. 2 ein längs der Linie H-II geführter SchnittF i g. 1 schematically shows a view of an embodiment of an optical element according to the invention, in which no defocusing of the radiation d. H. optically less dense, occurs at the optical element 35 and the emerging bundle penetrates coaxially adjoining medium, being at or in to the incident bundle, and
the proximity of molecular resonance frequencies a F i g. 2 a section along the line H-II

Wechselwirkung zwischen der Strahlung und z. B. durch die Ausführungsform nach F i g. 1 ist.
Verunreinigungen auf den erwähnten Oberflächen Die Fig. 1 und 2 zeigen eine AusführungsfonriInteraction between the radiation and e.g. B. by the embodiment according to FIG. 1 is.
Contaminants on the mentioned surfaces Figs. 1 and 2 show an embodiment

innerhalb der Eindringtiefe auftritt. So kann z. B. 40 eines optischen Elements nach der Erfindung. Dieses ein Ultrarotabsorptionsspektrum erhalten werden, Element weist zum Erhalten von Spektren von Flüsdas kennzeichnend für die Zusammensetzung des sigkeiten einen als flache Platte ausgebildeten Körperl Materials auf der Oberfläche eines Halbleiters ist. in Form eines umgekehrten V auf, der. aus einem Stoff Es wurde auch vorgeschlagen, eine derartige Vorrich- besteht, der Strahlung nahezu völlig durchläßt und tung für die Ultrarotanalyse von Gasen unter Ver- 45 einen Brechungsindex hat, der so hoch ist, daß wendung des Prinzips der Gaschromatographie an- Strahlung mit einer bestimmten Wellenlänge, wenn zuwenden. Wenn das durch den Chromatographen sie auf eine Grenzfläche fällt, über dem Grenzwinkel hindurchströmende Gas mit einer gekühlten halb- ist und somit durch Totalreflexion innerhalb des leitenden Mehrfachreflexionsplatte in Berührung ge- Elements bleibt. Die Platte in Form des umgekehrten V bracht wird, kondensiert ein Teil auf der Oberfläche. 5° kann als solche geschliffen oder aus zwei Teilen "" Infolge der vielen Reflexionen, die sich in der Platte zusammengesetzt sein. Die Platte 1 hat eine Eintrittsergeben, wenn das Ultrarotbündel hindurchläuft, fläche 2, eine reflektierende untere flache Oberfläche 3, wobei jede Reflexion eine Wechselwirkung mit dem eine reflektierende obere flache Oberfläche 4, die im Kondensat bedeutet, liefert ein dünner Kondensat- allgemeinen parallel zur unteren reflektierenden Oberfilm ein Spektrum, das stark genug ist, um verhältnis- 55 fläche 3 ist, und eine Austrittsfläche 5. Die Platte 1 mäßig geringe Mengen einer im Gas enthaltenen ist flüssigkeitsdicht derart in einem Gefäß 6 anKomponente leicht zu identifizieren. geordnet, daß die Enden der Platte durch die Wändeoccurs within the penetration depth. So z. B. 40 of an optical element according to the invention. This an ultrared absorption spectrum can be obtained, element has to obtain spectra of fluids Characteristic for the composition of the candy is a body designed as a flat plate Material on the surface of a semiconductor. in the shape of an inverted V, the. made of one fabric It has also been proposed to have such a device which allows radiation to pass through almost completely and device for the ultra-red analysis of gases below 45 has a refractive index which is so high that application of the principle of gas chromatography to radiation with a certain wavelength, if turn to. If this falls through the chromatograph on an interface, above the critical angle flowing gas with a cooled semi-is and thus by total reflection within the conductive multiple reflection plate remains in contact with the element. The plate in the shape of the inverted V. is brought, a part condenses on the surface. 5 ° can be ground as such or from two parts "" As a result of the many reflections that can be composed in the plate. The plate 1 has given an entry, when the ultrared beam passes through, face 2, a reflective lower flat surface 3, each reflection having an interaction with the one reflective upper flat surface 4, which is im Condensate means provides a thin condensate- generally parallel to the lower reflective top film a spectrum that is strong enough to be area 3, and an exit area 5. The plate 1 moderately small amounts of a component contained in the gas is liquid-tight in this way in a vessel 6 easy to identify. arranged that the ends of the plate through the walls

Bei dem bekannten optischen Element ist es jedoch des Gefäßes hindurchragen, so daß die Eintritts- und nicht unmittelbar möglich, die Differenz der un- Austrittsflächen 2 und 5 nicht mit der Flüssigkeit 8 in geschwächten und der teilweise von dem zu unter- 60 Berührung stehen. Am oberen Ende des Gefäßes ist suchenden Stoff absorbierten Strahlung zu messen. eine Tülle 7 zum Einbringen und Entfernen ge-Man ist hierbei gezwungen, den mit dem Element
zusammenwirkenden Detektor zu verschieben. Hierbei ergibt sich die weitere Schwierigkeit, daß die
Strahlung oft nicht sichtbar ist (infrarote oder ultra- ⁶5 nahezu deren ganze Länge und Breite in Berührung, violette Strahlung), so daß die Verschiebung des Es ist eine geeignete Strahlungsquelle 10 vorgesehen, Detektors schwierig wird.In the known optical element, however, the vessel protrudes so that the entry and not directly possible, the difference between the non-exit faces 2 and 5 are not weakened with the liquid 8 and are partially in contact with the liquid. At the top of the vessel, the absorbing substance is measured. a grommet 7 for introducing and removing ge-Man is here forced to use the element
to move cooperating detector. This results in the further difficulty that the
Radiation is often not visible (infrared or ultra- ⁶ 5 almost all of their length and width in contact, violet radiation), so that the displacement of the detector becomes difficult.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einThe invention is based on the object

wünschter Flüssigkeiten 8 vorgesehen. Die Flüssigkeit 8 füllt das Gefäß 6 und steht infolgedessen mit der unteren und oberen Oberfläche 3 bzw. 4 überdesired liquids 8 provided. The liquid 8 fills the vessel 6 and is consequently with it the bottom and top surfaces 3 and 4 respectively

die ein Bündel 11 liefert, das auf die Eintrittsfläche 2 der Platte 1 fällt, in die Platte 1 eintritt und auf diewhich delivers a bundle 11 which falls on the entry surface 2 of the plate 1, enters the plate 1 and onto which

untere Oberfläche 3 unter einem Winkel θ fällt, der größer als der Grenzwinkel (-)_c ist. Infolgedessen wird das Bündel total zur gegenüberliegenden Oberfläche 4 reflektiert. Die Gestalt des optischen Elements ist derartig, daß das Bündel sich durch den Körper 1 ausbreitet und schließlich als Bündel 12 durch die Austrittsfläche 5 austritt. Es sind Mittel 13 vorgesehen, um das austretende Bündel 12 zu detektieren. Wenn z. B. der Flüssigkeitsraum 6 im Spektrometer vor dem Analysator und der zugeordneten Optik liegt und das ganze polychromatische Bündel der Quelle durch den Reflexionskörper 1 hindurchläuft, bestehen die Mittel 13 aus einem Strahlungsanalysator und einem Strahlungsdetektor zum Angeben der Stärke des Bündels in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Der Flüssigkeitsraum kann auch zwischen dem Analysator und dem Detektor liegen, wobei ein monochromatisches Strahlungsbündel durch den Reflexionskörper 1 hindurchläuft. Im letzteren Fall wurden die Mittel 13 aus dem Detektor und der zugeordneten Optik bestehen.lower surface 3 falls at an angle θ greater than the critical angle (-) _c . As a result, the beam is totally reflected to the opposite surface 4. The shape of the optical element is such that the bundle spreads through the body 1 and finally emerges as a bundle 12 through the exit surface 5. Means 13 are provided to detect the emerging bundle 12. If z. B. the liquid space 6 in the spectrometer is in front of the analyzer and the associated optics and the entire polychromatic bundle of the source runs through the reflection body 1, the means 13 consist of a radiation analyzer and a radiation detector for indicating the strength of the beam as a function of the wavelength. The liquid space can also lie between the analyzer and the detector, with a monochromatic radiation beam running through the reflection body 1. In the latter case, the means 13 would consist of the detector and the associated optics.

Die delektierte Strahlung kann in einem üblichen, mit einem Papierstreifen arbeitenden Registriergerät in Form einer Kurve aufgezeichnet werden, die die Intensität der delektiert;·! Strahlung in Abhängigkeit von ihrer Wellenlänge angibt, in der Praxis kann der Detektor ein thernioelektrisches Element od dgl., z. B. eine Indiumantimonidzelle, sein. Die Strahlung, die scheinbar von den einander gegenüberliegenden Grenzflächen 3, 4 total reflektiert wird, dringt in Wirklichkeit in das flüssige (oder in einem anderen Aggregatzustand befindliche) Medium ein, das an den optischen Körper 1 grenzt, wobei das erwähnte Medium optisch dünner als der Körper 1 ist. Die Eindringtiefe des Bündels in das dünnere Medium ist etwa eine Wellenlänge und hängt vom Einfallswinkel ab. Je nach der Wellenlänge der Strahlung kann eine Wechselwirkung zwischen der Strahlung und dem dünneren Medium innerhalb der Eindringtiefe bei oder in der Nähe von molekularen Resonanzfrequenzen auftreten. Bei Ultrarotstrahlung ζ. Β. kann ein Ultrarotabsorptionsspektrum erhalten werden, das kennzeichnend für die Zusammensetzung der Flüssigkeit auf der Oberfläche der Platte 1 ist.The detected radiation can be recorded in a conventional recording device working with a paper strip recorded in the form of a curve showing the intensity of the detected; ·! Radiation as a function from their wavelength indicates, in practice the Detector a thernioelectric element or the like, z. B. an indium antimonide cell. The radiation that appears to be from the opposing ones Boundaries 3, 4 are totally reflected, actually penetrates into the liquid (or into another State of aggregation) a medium that is adjacent to the optical body 1, the aforementioned Medium is optically thinner than the body 1. The depth of penetration of the bundle into the thinner medium is about a wavelength and depends on the angle of incidence. Depending on the wavelength of the radiation there can be an interaction between the radiation and the thinner medium within the penetration depth occur at or near molecular resonance frequencies. With ultrared radiation ζ. Β. can an ultrared absorption spectrum can be obtained which is indicative of the composition of the There is liquid on the surface of the plate 1.

Die Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 zeigt keine Bündeldefokussierung, so daß keine Refokussierungsoptik erforderlich ist. Im allgemeinen wird das Strahlungsbündel der Quelle beim Detektor oder bei irgendeinem zwischenliegenden Spalt fokussiert. Durch eine geeignete Anordnung des optischen Körpers 1 wird diese Fokussierung beibehalten. Dies ist in F i g. 1 angegeben. Die Projektion des fokussierten einfallenden Bündels 11, wie es beim Fehlen des optischen Körpers 1 auftreten würde, ist durch Punktstrichlinien angegeben. Der Strahlenweg durch den optischen Körper f hindurch ist durch die gestrichelte Linie und Schraffur angegeben. Wie aus der F i g. 1 hervorgeht, ist der Brennpunkt des Bündels mit oder ohne optischen Körper 1 der gleiche. Diese Wirkung wird erhalten, wenn der Abstand, den die Strahlung durch das optische Element 1 zurücklegt, nahezu gleich dem Abstand zwischen der Eintrittsfläche 2 und der Austrittsfläche 5 mal dem Brechungsindex der Platte 1 ist, oder mathematisch genauer ausgedrückt:The embodiment according to FIGS. 1 and 2 shows no beam defocusing, so that no refocusing optics are required. In general the radiation beam from the source is focused at the detector or at any intermediate gap. This focusing is maintained by a suitable arrangement of the optical body 1. this is in Fig. 1 specified. The projection of the focused incident beam 11, as it would in the absence of the optical body 1 would occur is indicated by dashed lines. The ray path through the optical body f through it is indicated by the dashed line and hatching. As shown in FIG. 1 As can be seen, the focal point of the beam with or without the optical body 1 is the same. These Effect is obtained when the distance that the radiation travels through the optical element 1, almost equal to the distance between the entrance surface 2 and the exit surface 5 times the refractive index of plate is 1, or more precisely expressed mathematically:

; , cosr ,; , cosr,

/ = nd -, U)/ = nd -, U)

cos 1cos 1

wobei / der Weg ist, den das reflektierte Licht innerhalb des optischen Körpers 1 zurücklegt, d der Abstand zwischen der Eintrittsfläche 2 und der Austrittsfläche 5 des optischen Körpers 1, η der Brechungsindex und 2 r und 2 i die Divergenz des gebrochenen bzw. des einfallenden Bündels bei der Eintrittsfläche 2 ist. Da sowohl ί als auch r fast gleich 0° sind, ist ihre Kosinus etwa gleich 1, und somit ist ihr Verhältnis nahezu 1. Die Formel wird mithin zuwhere / is the path covered by the reflected light within the optical body 1, d the distance between the entrance surface 2 and the exit surface 5 of the optical body 1, η the refractive index and 2 r and 2 i the divergence of the refracted and the incident Bundle at the entry surface 2 is. Since both ί and r are almost equal to 0 °, their cosines are approximately equal to 1, and thus their ratio is almost 1. The formula therefore becomes

/ = nd / = nd

vereinfacht. Diese Bedingung erfüllen Materialien für den Körper 1 mit Brechungsindizes größer als oder gleich 2, sofern ein Einfallswinkel (-), der sowohl vom Brechungsindex η als auch von der Zahl N der Reflexionen abhängt, wie folgt gewählt wird:simplified. This condition is fulfilled by materials for the body 1 with refractive indices greater than or equal to 2, provided that an angle of incidence (-), which depends on both the refractive index η and the number N of reflections, is selected as follows:

cos 2 θ = —cos 2 θ = -

ΛΓ (η - 2)ΛΓ (η - 2)

nN -4« + 4 nN -4 "+ 4

und sofern der Winkel zwischen den beiden Schenkeln des V gleich 2 θ ist. Bei einer derartigen Anordnung wird die Zahl der stattfindenden inneren Reflexionen gegeben durchand provided that the angle between the two legs of the V is equal to 2 θ . With such an arrangement, the number of internal reflections taking place is given by

JV = — cosec Θ ctg Θ + Γ 1 - ctg² θ) (4)JV = - cosec Θ ctg Θ + Γ 1 - ctg ² θ) (4)

und läßt sich somit durch Wahl der Dicke f der Platte 1 oder des Abstandes d zwischen den Eintritts- und Austrittsflächen einstellen. N muß ein Vielfaches von 4 und größer als 4 sein, außer wenn η = 2 ist.and can thus be adjusted by choosing the thickness f of the plate 1 or the distance d between the entry and exit surfaces. N must be a multiple of 4 and greater than 4, except when η = 2 .

Die nachstehende Tabelle gibt den Grenzwinkel G_c (Grenzfläche Stoff—Luft) und die Einfallswinkel© an, die erforderlich sind, um Defokussierung zu vermeiden, für eine bestimmte Anzahl N von Reflexionen für eine Anzahl geeigneter Stoffe für den optischen Körper 1 mit einem Brechungsindex von mindestens 2. Die erwähnten Stoffe lassen im allgemeinen Strahlung in dem in der Tabelle angegebenen Wellenlängenbereich λ (in Mikron ausgedrückt) durch; selbstverständlich muß eine Strahlung, die nahezu völlig hindurchgelassen wird, Verwendung finden.The table below gives the critical angle G _c (interface material-air) and the angles of incidence which are required to avoid defocusing for a certain number N of reflections for a number of suitable materials for the optical body 1 with a refractive index of at least 2. The substances mentioned generally transmit radiation in the wavelength range λ given in the table (expressed in microns); of course, radiation that is almost completely transmitted must be used.

Table I.

Ge...,Ge ...,

Si Si

KRS-5.
AgCl ..KRS-5.
AgCl ..

3,5 2,4 23.5 2.4 2

«c«C

14° 30'
16° 45'
24° 40'
30°14 ° 30 '
16 ° 45 '
24 ° 40 '
30 °

2020th

1212th

beliebige Zahl 30°
39°
45°any number 30 °
39 °
45 °

2 bis 22 μ2 to 22 μ

1 bis 9 μ1 to 9 μ

0,6 bis 40 μ0.6 to 40μ

sichtbar bis 25 μvisible up to 25 μ

Wenn der Brechungsindex mindestens 1, aber höchstens 2 ist, müssen, wenn der Winkel zwischen den zwei Schenkeln des V auf 2 (■) eingestellt ist, die folgenden Beziehungen erfüllt werden, um die Fokussierung aufrechtzuerhalten:If the index of refraction is 1 or more but 2 or more, when the angle between the two legs of the V is set to 2 (■) , the following relationships must be met to maintain focus:

und N =and N =

nd ■ cos θ nd ■ cos θ

sin (-) = \ — sin (-) = \ -

(5)(5)

Der erforderliche Winke! (-) liegt zwischen 45 und 90°.The required hint! (-) is between 45 and 90 °.

Die nachstehende Tabelle gibt Beispiele von Stoffen, die diesen Anforderungen genügen:The following table gives examples of substances that meet these requirements:

Table II

/I/ I 36,5
36,5'
4736.5
36.5 '
47 50° 25'
50° 25'
54° 35'50 ° 25 '
50 ° 25 '
54 ° 35 ' /./. AUO, AUO, 1,7
1,7
1,51.7
1.7
1.5 ultraviolett bis 6 μ.
sichtbar bis 9 μ
sichtbar bis 15 μultraviolet to 6 μ.
visible up to 9 μ
visible up to 15 μ MgO MgO NaCl NaCl

Ein anderes Merkmal der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform ist, daß das austretende Bünde! 12 koaxial zum einfallenden Bündel 11 ist. Diese Eigenschaft zusammen mit dem Fehlen einer Defokussierung ermöglicht es, daß das dargestellte. Element ohne weitere optische Mittel und ohne die übliche Optik zu stören, ohne weiteres im Probenraum eines Spektrometers angeordnet werden kann. Außerdem ka,nn durch Einstellen des Pegels der Flüssigkeit im Gefäß die Intensität oder der Kontrast der Spektren eingestellt werden. Die vorstehenden Eigenschaften des einfallenden und austretenden Bündels machen, mit äußerst geringer Störung der Optik des Spektrometers, das Element auch geeignet zum Erzielen von Ultrarotspektren von Stoffen in einem anderen Aggregatzustand als dem flüssigen, z. B. gasförmige Proben oder die Bestandteile eines Gasgemisches eines Gaschromatographen. Another feature of the FIG. 1 embodiment shown is that the emerging frets! 12th is coaxial with the incident bundle 11. This attribute together with the lack of defocusing enables that shown. Element without further optical means and without disturbing the usual optics, easily in the sample space of a spectrometer can be arranged. Also ka, nn by adjusting the level of the liquid in the vessel the intensity or the contrast of the spectra can be adjusted. The above properties of the incoming and outgoing bundle with extremely little interference with the optics of the spectrometer, the element is also suitable for obtaining ultra-red spectra of substances in a different physical state than the liquid, e.g. B. gaseous samples or the components of a gas mixture of a gas chromatograph.

4040

Claims

Claim:

Optical element with multiple reflection, which consists of an essentially V-shaped, almost completely radiolucent body with a high refractive index and planar opposing interfaces, an entrance surface at one end of the body for receiving a radiation beam and an exit surface at the opposite end for forwarding the radiation beam, These entry and exit surfaces are almost parallel to each other and the angle between the legs of the V-shaped body is almost twice the angle of incidence of the radiation, which is itself greater than the critical angle, characterized in that the angle of incidence («) has such a value has that the length of the path (/) of the radiation through the V-shaped body (1) is almost equal to the product of the refractive index (ti) of the substance of which this body is made and the distance Ul) between the entrance surface (2 ) and the exit surface (5) is (/ = Hi /), where the incidence swinkel {«). the number of reflections (N) and the refractive index (n) meet the following conditions:

If (-) is between 0 and 45, the formulas apply

ι »Λί-4ιι

and

Λ '= cosec «ctg« + 2 (! -Ctg ² (->):

and if <■) is between 45 and 90, the formulas apply

sin «=

1111

and

N =N =

nd - cos (-)

1 sheet of drawings