DE1589648B1 - Geraet zur Modulation der Elliptizitaet der Polarisation eines Lichtstrahls - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Geräte liegt hauptsächlich die Aufgabe zugrunde, eine einfache zur Verwendung bei der Durchführung von Messungen automatische Regelung der höchst möglichen oder mit polarisiertem Licht. Spitzen-Doppelbrechung zu schaffen, die keine Wellen-

Nach der Erfindung ist ein Gerät zum Modulieren längenprogrammierung erfordert. Die Erfindung erder Polarisations-Elliptizität eines Lichtstrahls mit 5 möglicht eine vereinfachte automatische Kompeneinem auf ein einfallendes linearpolarisiertes Strah- sation des dem Übertragungsglied des Modulatorlungsbündel einwirkenden und zumindest einen aus- antriebs zugeführten elektrischen Signals lediglich tretenden Strahl mit zyklisch variierender Elliptizität unter Ansprechen auf Variationen in der Eigenschaft erzeugenden Modulator vorgesehen, das gekenn- des Strahlungsbündels, das durch den Modulator zeichnet ist durch eine erste, auf einen solchen aus- io hindurchgegangen ist.

tretenden Strahl einwirkende Einrichtung zum Ab- Grundsätzlich weist die gerätemäßige Ausgestaltung

leiten eines modifizierten Strahls, dessen Intensität eine erste Einrichtung auf, die auf einen aus dem zyklisch als Funktion der zyklisch variierenden Ellip- Modulator mit zyklisch sich verändernder Elliptizität tizität variiert, und durch eine zweite, lediglich auf austretenden Strahl so einwirkt, daß ein modifizierter Charakteristika der zyklisch variierenden Intensität 15 Strahl abgeleitet wird, dessen Intensität gleichfalls ansprechende Einrichtung zur Regelung des Modu- zyklisch variiert, und zwar als Funktion der Elliptizität lators zwecks Haltens der Amplitude der zyklischen des Austrittsstrahls, sowie eine zweite, lediglich auf Variation dieser Elliptizität nahe einem vorbestimmten eine derartige Intensitätsvariation ansprechende Ein-Wert, wobei der Modulator lediglich durch die zweite richtung zur zyklischen Beanspruchung des Modu-Einrichtung geregelt bzw. gesteuert ist. 20 lators. Die Beziehung zwischen der in den aus dem

Die Erfindung eignet sich insbesondere für eine Modulator austretenden Strahl eingeführten Retarda-Verwendung beim Regeln der Größe der zyklischen tion und der resultierenden Intensität des modifizierten Doppelbrechung in Doppelbrechungsmodulatoren. Strahls wird so gewählt, daß das System zu einem

Für vorliegende Zwecke ist ein Doppelbrechungs- Oszillationszustand mit stabilem Gleichgewicht tenmodulator eine zyklisch betätigte Vorrichtung, die auf 25 diert, bei welchem die Höchstretardation optimal für ein linearpolarisiertes Strahlenbündel einwirkt, um den Einsatz in einem zugeordneten System für die einen oder mehrere Strahlen mit zyklisch variierender Messung von Zirkulardichroismus ist. Noch spezieller elliptischer Polarisation abzuleiten. Solch ein Strahl nimmt die Komponente der Intensität des modifizierten kann verwendet werden für den Durchgang durch Strahles ab, wenn die durch den Modulator einein Probestück, das zirkulardichroitisch ist, wodurch 30 geführte Höchst- oder Spitzenretardation in der Nähe dann Differentialabsorbanz von links und rechts eines kritischen Werts ansteigt. Wie ersichtlich ist, zirkularpolarisiertem Licht, d. h. Zirkulardichroismus, beseitigt das System die Notwendigkeit für irgendeine von der Probe ermittelt und gemessen werden kann. elektrische Abtastung bzw. Abnahme im Modulator, Solch ein Strahl ist auch nutzbringend bei anderen um eine Rückführkopplung zum Antrieb des Modu-Arten von Meßinstrumenten anwendbar, wie z. B. 35 lators zu schaffen, ebenso wie für bestimmte andere solchen zur Bestimmung von durch Probestücke Schaltungskreise, da der Modulator lediglich unter hervorgerufener optischer Rotation. Bekannte Doppel- Ansprechen auf Variationen in der Intensität des brechungsmodulatoren zur Erzeugung solcher Strahlen modifizierten Strahls angetrieben wird, weisen unter anderem Belastungsspannungs-Doppel- Die obengenannte erste Einrichtung weist einen

brechungs-Modulatoren und elektrooptische Modula- 40 Planspiegel auf, der so angeordnet ist, daß er einen toren auf; der Einfachheit halber wird die vorliegende elliptisch-polarisierten Strahl vom Modulator für Erfindung jedoch nur in Anwendung mit einem einen zweiten Durchgang durch den Modulator mechanischen Belastungs-Doppelbrechungs-Modula- umkehrt, sowie eine Retardiereinrichtung mit fester tor vorteilhafter Konstruktion und Arbeitsweise Verzögerung und einen Analysator zum weiteren Einbeschrieben. Gleichfalls der Einfachheit halber wird 45 wirken auf den reflektierten Strahl, 11m den obendie Erfindung nur in ihrer Anwendung auf einen genannten modifizierten Strahl zu erzeugen, wie nachsolchen Modulator zum Einsatz in einem für die folgend noch im einzelnen beschrieben wird. Messung von Zirkulardichroismus bestimmten System Die zweite Einrichtung weist typischerweise ein den

beschrieben. Das hier beschriebene Regel- und Kon- modifizierten Strahl empfangendes Fotoelement auf, trollsystem ist jedoch in gleicher Weise nützlich in 5° das eine Ausgangsgröße erzeugt, die in Übereinstim-Verbindung mit Modulatoren anderer Typen sowie mung mit den Intensitätsvariationen des modifizierten in Systemen zur Messung anderer Polarisations- Strahls variiert, sowie einen Verstärker, der auf eine Phänomene. Komponente des Ausgangs der Fotozelle anspricht,

Damit die Elliptizität der Polarisation eines aus dem und einen elektromechanischen Übertrager, der auf Modulator austretenden Strahls Optimalwerte zu 55 den Ausgang des Verstärkers anspricht, um den Zwecken der Messung von Zirkulardichroismus an- Modulator mechanisch anzutreiben. Um eine sich im nimmt, muß die zyklisch variierende Doppelbrechung Gleichgewicht befindende Oszillationsamplitude des des Modulators eine entsprechende Optimalamplitude Modulators zu erzeugen, sind keine weiteren Schaltannehmen. Wenn die Elliptizität des austretenden elemente als die Fotozelle, der Verstärker und ein Strahls sich sinusförmig mit der Zeit verändert, wird 60 Übertrager zuzüglich geeigneter Kraftzuführungen und eine optimale Genauigkeit der Messung des Zirkular- Zwischenverbindungen erforderlich, dichroismus erhalten, wenn die Höchstverzögerung Die obengenannten Verbesserungen sind vorteilhaft

bzw. -retardation etwa 113° beträgt. Zu diesem Zweck in einem System anwendbar, das einen linearen Polarimuß die Vibration eines zyklisch belasteten Modulators sator zur Aufnahme unpolarisierten monochromatiso'geregelt werden, daß eiae solche erwünschte höchst- 65 sehen Lichts und zum Erzeugen linearpolarisierter mögliche Doppelbrechung selbst dann aufrechterhalten ordentlicher und außerordentlicher auf den Modulator wird, wenn die Wellenlänge der dem Modulator zu- auftreffender Strahlen einschließt, wobei der modifigeführten Strahlung verändert wird. Der Erfindung zierte Strahl von einem der ordentlichen oder außer-

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ordentlichen Strahlen abgeleitet wird und der andere anspruchung des Modulators, um in diesem zyklische der Strahlen durch den Modulator hindurchgeht und Belastungen und damit zyklische Doppelbrechung zu mit zyklisch variierender elliptischer Polarisation für erzeugen. Der optische Konverter 102 ist so ausden Durchgang durch ein Probestück austritt, was als gebildet, daß eine Komponente der modifizierten zirkulardichroitisch gekennzeichnet ist und eine Ein- 5 Strahlintensität 103, vorzugsweise die Komponente, richtung zum Erfassen und Messen der Differential- deren Frequenz der Arbeitsfrequenz des Modulators absorbanz von links 4- und rechts — zirkularpolari- entspricht, sich in der Nähe eines festgelegten Wertes siertem Licht durch das Probenstück, was für den verringert, wenn die Oszillationsamplitude der Diffeelliptisch-polarisierten Strahl charakteristisch ist, um- rentialretardation der Strahlen 105 und 105a ansteigt, faßt. ίο Als Folge davon hat die den Modulator 32a, den

Der modifizierte Strahl kann statt dessen auch von Konverter 102 und die Regeleinrichtung 104 aufdemselben Strahl abgeleitet werden, der verwendet weisende Schleife die Tendenz, mit einer charaktewird für den Durchgang durch das Probestück, und ristischen Gleichgewichtsamplitude zu oszillieren, zwar mittels irgendeiner herkömmlichen Vorrichtung Der in F i g. 2 dargestellte Modulator kann in

zur Strahlaufteilung, wie beispielsweise einem halb- 15 einem System nach F i g. 1 Anwendung finden und durchlässigen Spiegel. weist einen Körper, beispielsweise eine Platte 10, auf,

Diese und weitere Einzelheiten der Erfindung die geeignet ist, um auf sie gerichtete elektromagneergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschrei- tische Strahlung längs eines vorbestimmten Pfades, bung einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele in Ver- namentlich des Pfades 11 entlang der Z-Achse, bindung mit der Zeichnung, in der zeigt 20 passieren zu lassen. Die Platte zeichnet sich dadurch

F i g. 1 ein Blockdiagramm eines Systems nach aus, daß sie unter dem Einfluß einer auf sie auseiner Ausführung der Erfindung, geübten Beanspruchung optisch planar doppel-

F i g. 2 eine perspektivische Darstellung einer brechend wird. Auf diese Weise tritt Licht, das in das Modulatorform, die in dem System nach F i g. 1 Material der Platte linear-polarisiert eintritt, aus zum Einsatz kommen kann, 25 dieser elliptisch-polarisiert aus. F i g. 2 zeigt den

F i g. 3 eine detailliertere Darstellung eines Systems, elektrischen Vektor E von auf die Platte auftreffendem in dem sich die Erfindung besonders vorteilhaft linearpolarisiertem Licht, wobei der Vektor die anwenden läßt, und zwar zum Messen des Zirkular- Komponente E_x, die in der Richtung der Spannungsdichroismus eines Test-Probestücks, und achse X der Platte 10 liegt, und die Komponente E_y

F i g. 4 ein Schaubild der modifizierten Strahl- 30 aufweist, die sich in Richtung der Normalen zur intensität als Funktion der Differential-Phasenver- Komponente E_x erstreckt. Ferner erstreckt sich der zögerung zwischen zwei Vektorkomponenten des Vektor/: unter einem Winkel von 45° sowohl zur durch den Modulator hindurchgegangenen Strahls. X- als auch zur F-Achse. Unter diesen Bedingungen

F i g. 1 zeigt eine Quelle 100 angenähert mono- kann die Phasendifferenz zwischen den aus der chromatischen linearpolarisierten Lichtes, dessen 35 Platte austretenden E_x- und JEV-Wellenkomponenten Wellenlänge verändert werden kann. Auf einen oder zum zyklischen Variieren durch Erzeugen einer mehrere Strahlen 101 dieses Lichtes wirkt ein Doppel- zyklisch variierenden Doppelbrechung innerhalb der brechungsmodulator 32« ein, der einen Strahl 105 Platte gebracht werden, so daß der Grad der ellipmit zyklisch variierender elliptischer Polarisation tischen Polarisation des austretenden Lichtes zwischen ableitet. Der Strahl 105 ist auf ein Gerät 106 gerichtet, 40 Plus- und Minuswerten variieren wird. Die 45°-Oriendas z. B. ein Probenstück, einen Fotodetektor und tierung stellt einen Spezialfall dar, bei dem die Platte zugehörige elektronische Schaltungskreise für die mit planarer Doppelbrechung lediglich Elliptizität Messung von Zirkulardichroismus aufweisen kann. erzeugt, jedoch keine Rotation einführt. Die trans-Der Modulator 32a leitet von dem Strahl 101 ferner parente Platte, die typischerweise aus geschmolzener einen anderen Strahl 105a ebenfalls zyklisch variieren- 45 Kieselerde bestehen kann, wird in geeigneter Weise der elliptischer Polarisation ab. Wie im folgenden dadurch angenähert zyklisch doppelbrechend gemacht, näher ausgeführt werden soll, ist bei einem bevorzugten daß sie längs ihrer X- oder Spannungsachse (F i g. 2) Ausführungsbeispiel der Polarisationszustand des einer Beanspruchung bzw. Belastung ausgesetzt wird. Strahls 105a nicht derselbe wie der des Strahls 105, F i g. 2 zeigt einen Antrieb, der mit der Platte zur

wobei der Unterschied sich aus der Tatsache herleitet, 50 Übertragung mechanischer Oszillation in Verbindung daß der Modulator 32a zur Erzeugung des Strahls 105 steht, um eine Vibration der Platte längs der X- oder lediglich einmal, zur Erzeugung des Strahls 105a Spannungsachse herbeizuführen. Der Übertragungsjedoch zweimal nacheinander auf den Strahl 101 teil des Antriebs nach F i g. 2 weist geeignete piezoeinvvirkt. elektrische Elemente 13 auf, die an gegenüberliegenden

Der Strahl 105a wird einem optischen Konverter 55 Flächen 10a der Platte in zentralen Knotenpunkten, bzw. Umsetzer 102 zugeführt, der einen modifizierten d. h. auf halber Länge der Abmessung der Platte Strahl 103 ableitet, dessen Intensität zyklisch als längs der .Y-Achse, angeordnet sind. Lediglich als Funktion der Elliptizität des Strahls 105a und damit Beispiel können die Antriebselemente aus Bariumauch des Strahls 105 variiert. Dar Strahl 103 wird titanat bestehen und etwa 3,175 mm dick, 5,08 mm zum Regeln des Modulators 32a einer Regeleinrich- 60 breit —· d. h. von der gleichen Abmessung wie die tung 104 für den elektromechanischen Antrieb zu- Plattendicke —■ und etwa 6,35 mm lang sein. Sie geführt, die lediglich auf die Intensität und die Zeit- können auch aus handelsüblichem piezoelektrischem phase des Strahls 103 anspricht. In dem hier erläuterten Material geschnitten sein.

Fall ist der Modulator 32a ein Typ mit Belastungs- Die Antriebselemente haben einander gegenüber-

bzw. Spannungs-Doppelbrechung, und die Steuer- 65 liegende leitende Überzüge 13a und 13b, zu denen bei bzw. Regeleinrichtung 104 für den Antrieb erzeugt 14a und 14Z> elektrische Verbindungen hergestellt ein elektrisches Steuersignal im Rückführpfad 104a sind, um diesen Vorrichtungen das Betätigungssignal zur Regelung der zyklischen mechanischen Be- zuzuleiten und dadurch zu bewirken, daß die Platte

in Resonanz längs der X-Achse oder der Platten- die Größe der Elliptizität bestimmen. Das algebraische längenabmessung vibriert. Mit einem sinusförmigen Vorzeichen der Elliptizität wird durch die Rotations-Eingangssignal für den Antrieb bewirkt die sinus- richtung des resultierenden Vektors bestimmt, d. h. förmige Belastung, welcher die Platte ausgesetzt wird, durch den »Sinn« der größeren zirkularpolarisierten daß die Platte planar doppelbrechend wird, wobei 5 Komponente.

Größe und Vorzeichen der Doppelbrechung gleich- Das den Modulator bei 33 verlassende Licht fällt

zeitig sinusförmig variieren. Wenn die Plattendimen- auf das Probenteil 25 auf, welches die zirkularsionen ziemlich groß im Verhältnis zu den optischen polarisierten Komponenten entgegengesetzten »Sinnes« Querschnittsabmessungen des Strahls sind, ist die ungleichmäßig absorbiert, so daß, wenn die Elliptizität Belastung und als Folge davon die Doppelbrechung io periodisch ihr Vorzeichen ändert, der Gesamtbetrag über dem kleinen Querschnittsbereich 11 a, durch des auf das Fotoelement auffallenden Lichtes eine den der Strahlenpfad 11 hindurchgeht, ganz homogen. entsprechende periodische Variation durchmacht, Elektrische Oszillationen werden bei 14a von dem d. h. größer ist, wenn das durch das Probenteil hin-Verstärkeroszillator 21 auf die Antriebselemente so durchgehende Licht eine nutzbare zirkularpolarisierte übertragen, daß die Höchstretardation (in Wellen- 15 Komponente des von dem Probenteil in geringerem längen), die durch die Modulatorplatte in den Quer- Grade absorbierten Sinnes besitzt, und geringer ist, schnitt 11a eingeführt wird, auf einem vorbestimmten, wenn die nutzbare zirkularpolarisierte Komponente auf andere Betriebsparameter, wie im folgenden aus- von dem durch das Probenteil in größerem Maße führlicher beschrieben wird, bezogenen Wert im absorbierten Sinn ist.

wesentlichen konstant gehalten wird, wobei die Platte so Eine Fotozelle 34 nimmt sowohl die fluktuierende vorzugsweise in Längsrichtung in ihrer Grund- als auch die stetige (oder konstante) Komponente des resonanzfrequenz vibriert. Dementsprechend bleibt Lichtdurchsatzes bzw. -stromes auf, der von dem die Höchstretardation im Querschnitt 11a konstant. Probenteil bei 35 weitergegeben wird, so daß der F i g. 3 veranschaulicht den Einsatz einer Platte Stromabgang der Fotozelle sowohl fluktuierende als gemäß F i g. 2 in einem System zum Messen von 25 auch Gleichstromkomponenten aufweist. Die fluk-Zirkulardichroismus eines Probenstückes 25. Das tuierenden Komponenten stellen angenähert sinus-Element26, als »Lichtquelle« bezeichnet, sendet elektro- förmigen Wechselstrom dar, wobei eine Frequenzmagnetische Strahlung als ein Kontinuum über einem komponente der Grundfrequenz der Modulatorplatte verhältnismäßig breiten Wellenlängenbereich aus, der gleich ist und andere Komponenten Frequenzen aufim sichtbaren, im infraroten und/oder ultravioletten 30 weisen, die ungerade Vielfache der Grundfrequenz Bereich des elektromagnetischen Spektrums liegen darstellen und in ihrer Größe dem Unterschied zwikann. Die Bezeichnung »Licht« wird dazu benutzt, um sehen den Transmissionspegeln für die zirkularirgendeine dieser Strahlungen zu kennzeichnen, und polarisierten Komponenten entgegengesetzten Sinnes der Monochromator 27 hat die Funktion, aus diesem entsprechen. Es können auch noch kleine, verhältnis-Kontinuum ein schmales Wellenlängenband zu selek- 35 mäßig unbedeutende Wechselstromkomponenten intieren, das in bekannter Weise bei der Messung des folge der parasitischen Vibration der Platte 10 mit Zirkulardichroismus einer Probe zum Einsatz kommt. anderen Frequenzen als der Plattengrundfrequenz In Abhängigkeit von der Art der Anwendung kann vorhanden sein. Die Gleichstromkomponente entder Monochromator ein verhältnismäßig grobes spricht in ihrer Größe der durchschnittlichen oder Gerät sein oder aber eine feine Hoch-Auflösungs- 40 mittleren Transmission des Probenteils für Licht im Vorrichtung. Ein Abtastantrieb (Motor) 28 kann bei allgemeinen.

28 a mit dem Monochromator gekoppelt sein, um zu Der Ausgang der Fotozelle wird bei 36 einem bewirken, daß er nacheinander verschiedene schmale elektronischen Schaltungskreis 37 für die Sichtbar-Wellenlängenbänder des Lichtes zur Weiterleitung bei machung zugeführt, welcher dem vergleichbar ist, der

29 auswählt, wobei die Anordnung derart gewählt ist, 45 in der USA.-Patentschrift 3 257 894 beschrieben ist, daß die nominalen oder zentralen Wellenlängen der und zwar mit der Ausnahme, daß die Trägerfrequenz ausgewählten Bänder den geometrischen Ort einer die Grundvibrationsfrequenz der Modulatorplatte 10 leicht variierenden Funktion der Zeit — einer mono- ist. Ein synchronisierendes Eingangssignal für den tonen Funktion — angenähert konstanter Steilheit Schaltkreis 37 wird bei 38 von dem Verstärker 21 bilden. 50 abgeleitet, dessen Ausgang bei 23 die piezoelektrischen

Aus dem den Monochromator verlassenden Strahl Antriebe 13 regelt bzw. steuert, und zwar zur Verwird eine im wesentlichen linearpolarisierte Korn- Wendung in einem im Block 37 verkörperten Detektor, ponente durch das Polarisierelement 30 ausgewählt um eine ermittelte Version I₁ der Wechselstrom- und bei 31 als ordentlicher Strahl weitergeleitet. Der Ausgangskomponente von der Fotozelle 34 abzuleiten, außerordentliche Strahl 60 wird in noch zu beschrei- 55 Der Sichtbarmachungs- bzw. Anzeigeschaltkreis leitet bender Weise benutzt. auch das Verhältnis I₁ zu I₂ ab, wobei das letztere eine

Bei 31 fällt linearpolarisiertes Licht auf den vibrie- Version der Gleichstrom-Ausgangskomponente von renden Modulator 32 der in F i g. 2 dargestellten der Fotozelle 34 ist. Der Wert dieses Verhältnisses ist Konstruktion auf, so daß das den Modulator bei 33 fast völlig proportional dem tatsächlichen Wert des verlassende Licht allgemein elliptisch polarisiert ist, 60 Zirkulardichroismus des Probenteils, d. h. elektrische und magnetische Vektoren aufweist, Um die elektronische Bestimmung des Verhält-

deren Spitzen jeweils gleichzeitig eine Ellipse be- nisses/j zu /₂ in der besten bekannten Ausführung schreiben, wenn sie in eine zur Richtung Z der Licht- für die Bestimmung von Zirkulardichroismus von ausbreitung senkrechte Ebene projiziert werden. absorbierenden Probenteilen über einem weiten Wellen-Dieses Licht kann als äquivalent angesehen werden 65 längenbereich zu beschleunigen, ist es erwünscht, ein mit zwei gegeneinander rotierenden zirkularpolari- Glied zur automatischen Verstärkungsregelung zu sierten Komponenten, die vektoriell addiert sind, schaffen, das an einem Punkt in dem System, der vor wobei die relativen Größen der beiden Komponenten demjenigen liegt, an welchem die Bestimmung des

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Verhältnisses durchgeführt wird, die Gleichstrom- ihre »schnelle« und »langsame« Achse jeweils so komponente des Ausgangssignals der Fotozelle an- orientiert, daß die eine parallel und die andere senkgenähert konstant hält. Solch ein Glied zur Ausbeute- recht zur Spannungs- bzw. Belastungsachse X der regelung hält die Signalpegel in der Vorrichtung zur Platte 10 liegt. Der austretende Strahl 65 geht dann Verhältnisbildung innerhalb geeigneter Arbeitsgrenzen. 5 durch einen Analysator 66, der lediglich die Kompo-Bei einem solchen geeigneten System hat die auto- nente des einfallenden Lichtes weiterleitet, die parallel matische Versärkungsregelung die Form eines auto- zur Durchlaß- bzw. Transmissionsachse des Analymatischen Reglers für die Parallelelektroden- bzw. sators polarisiert ist. Der modifizierte Strahl 103 a Vervielfältigungsoberflächen - Spannungsdynode und tritt aus dem Analysator für eine Intensitätsabtastung hält den Gleichstrom I₂ innerhalb 1% seines Nominal- io bzw. Ermittlung mittels einer einen Fotovervielwertes konstant. (In einem solchen System ist der fältiger 67 aufweisenden Einrichtung aus.
Absolutwert der Wechselstromkomponente I₁ selbst Um die Beziehung zwischen der resultierenden

ein Maß des Zirkulardichroismus, und zwar innerhalb Intensität des Strahles 103a und der Wirkung der der Genauigkeit des Regelsystems, d. h. innerhalb 1 %.) Platte 10 auf die zyklische Modifizierung der Diffe-Ein Ausgangssignal vom Anzeiger 37, das pro- 15 rential-Phasenretardation zwischen Komponenten des portional ist I₁JI₂, wird bei 39 der Betätigungsein- elektrischen Vektors, der den linearpolarisierten außerrichtung 40 zugeführt, welche die Stellung einer ordentlichen Strahl 60 kennzeichnet, zu verstehen, Tintenfeder 41a eines Registrierstreifenauf Zeichners 41 sind unter Bezugnahme auf die graphische Darstellung steuert, um dadurch einen Wert aufzuzeichnen, der in F i g. 4 die folgenden drei Fälle in Betracht zu eine ausgezeichnete Annäherung an den Zirkular- 20 ziehen. Es sei angenommen, daß der außerordentliche dichroismus des Probenteils darstellt. Der bereits Strahl 60 senkrecht zum Vektor £ in F i g. 2 polariobengenannte Motor 28 des Abtastantriebs treibt auch siert wird, und zwar mit einem Azimut von 45° in eine Walze 42 an, die das Papier des Registrier- bezug auf die Spannungsachse X der Platte 10, so daß Streifens in einer zur Bewegung der Aufzeichnungs- der Strahl 60 in zwei gleiche Vektorkomponenten feder normalen Richtung 44 vorbewegt, so daß die 25 aufgelöst wird, und zwar in eine parallel und in eine Stellung der Feder in Längsrichtung des Streifens eine senkrecht zur induzierten Spannungsachse,
fortlaufend erkennbare bzw. ablesbare Funktion der Da die verschiedensten relativen Orientierungen

Wellenlänge darstellt. Auf diese Art wird als Farbspur der Elemente 64 und 66 in Verbindung mit den, eine Abbildung der Funktion von Zirkulardichroismus Polaritäten der elektrischen Schaltung, die so ausüber Wellenlänge erzeugt. 30 gelegt ist, daß sie die Signale vom Fotoelement 67 Wie bereits in der Einleitung angedeutet wurde, aufnehmen kann, gleichwertige Resultate erzeugen, hat sich die Erfindung als ein wichtiges Ziel gesetzt, werden für den Zweck der nachfolgenden Analyse eine vereinfachte automatische Steuerung bzw. Rege- gewisse vereinfachende Annahmen getroffen:
lung der Höchstretardation am Modulator zu schaffen _{a) Die durch den Modu}i_ator eingeführte Retardation und dadurch das Erfordernis einer Abtastung bzw. 35 _{ist positi wenn die )>schne}n_e« Achse des Modula-Abnahme am Modulator oder einer unabhang.gen tors parallel zur »schnellen« Achse der festgelegten und unerwünscht ungenauen Programmierung aus- Retardiereinrichtung ist

zuschalten, um den Modulator hinsichtlich Wechseln _{b) Der außerordentliche} sirahl 60 ist senkrecht zur der Wellenlange des bei 29 und 31 übertragenen Transmissionsachse des Analysators 66 polari-

monochromatischen Lichtes zu kompensieren. Hierzu 40 _sj_ert
kommt der außerordentliche Strahl 60 zur Verwendung, der ebenso wie der ordentliche Strahl 31 linear- FaIlI: Wenn die Modulatorplatte einer Nullpolarisiert ist und einem Teil des Strahls 101 in spannung oder -belastung ausgesetzt ist, gibt es keine F i g. 1 entspricht. Die Verwendung erfolgt derart, Differential-Phasenverschiebung zwischen den zwei daß ein modifizierter Strahl 103 a (entsprechend dem 45 Vektorkomponenten des Strahls. Der Strahl 60 geht Strahl 103 in Fig. 1) abgeleitet wird und dadurch durch den Modulator bei 61 und 63 noch lineargekennzeichnet ist, daß seine Intensität zyklisch als polarisiert hindurch, fällt auf die Retardiereinrichtung Funktion der Amplitude der zyklischen Belastung in 64 in mit einem Azimut von 45° gegenüber der festder Platte 10 variiert. gelegten schnellen Achse der Retardiereinrichtung Das erste durch den Block 102 in F i g. 1 dar- 50 polarisiertem Zustand und tritt aus der Retardiereingestellte Mittel kann z. B. einen Reflektor 62 auf- richtung 64 bei 65 als zirkularpolarisierter Strahl aus, weisen, der so angeordnet ist, daß er den Strahl 60 der eine Hälfte des gesamten Lichtflusses beinhaltet aufnimmt, nachdem dieser die vibrierende Platte 10 (die andere Hälfte des Flusses ging vorher an den bei 61 passiert hat, den Strahl bei 63 in entgegen- ordentlichen Strahl 31 verloren). Während des Durch-, gesetzter Richtung durch die Platte zurückschickt und 55 gangs durch den Analysator wird der Strahl planar dabei die Phasenverzögerung verdoppelt. Dadurch, polarisiert, wobei die Intensität des Strahls 65 halbiert daß der Spiegel 62 so angeordnet wird, daß der wird, so daß nur ein Viertel des gesamten Lichtflusses Strahl 61 im wesentlichen normal zur Spiegelebene am Fotovervielfältiger 67 ankommt. Der Analysator auftritt, können die durch Reflexion an der Spiegel- 66 kann vom Rochon- oder Senarmont-Typ sein; in oberfläche eingeführten Retardationseffekte auf einem 60 solch einem System wird in dem der Betrachtung vernachlässigbaren Wert gehalten werden. Der Aus- zugrunde liegenden Idealfall die Hälfte der bei 65 auf trittsstrahl 63a wird dann durch eine Retardier- den Analysator 66 auftreffenden Energie als außereinrichtung 64, beispielsweise eine feste Retardier- ordentlicher Strahl 80 an die Maske oder Lichtfalle 81 einrichtung mit festgelegtem nominalem Viertelwellen- verloren. Dies legt den Punkt A in der graphischen wert, geschickt, die sich dadurch auszeichnet, daß auf- 65 Darstellung in F i g. 4 fest.

fallendes linearpolarisiertes Licht (genau orientiert) Fall II: Wenn der Modulator einer Belastung aus-

aus der Retadiereinrichtung zirkularpolarisiert aus- gesetzt wird, um augenblicklich eine Phasenverschietritt. Die Retardiereinrichtung 64 hat vorzugsweise bung von 45° zwischen den beiden Vektorkomponenten

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des linearpolarisierten außerordentlichen Strahls 60 Wechsel im Vorzeichen oder in der Phase des elekzu erzeugen, haben diese beiden Komponenten nach trischen Signals bei 70 und 23 aus. Die Folge davon zweimaligem Durchgang durch den Modulator auf ist eine in stabilem Gleichgewicht befindliche Vibradiese Weise eine relative Phasenverzögerung von 90° tionsamplitude der Platte 10, durch die eine relative durchgemacht, und der Strahl ist zirkularpolarisiert. 5 optische Phasenverzögerung mit einem Höchstwert Die feste Retardiereinrichtung 64 wandelt diesen von angenähert 110° erzeugbar ist.
Strahl in einen linearpolarisierten Strahl bei 65 um, Während die Retardiereinrichtung 64 als Viertel-

der seinen Vektor in Richtung der Transmissions- Welleneinrichtung gewählt worden ist, da bei dieser achse des Analysators 66 ausgerichtet hat. Als Folge Retardation die Grundkomponente des Signals an der davon tritt kein Intensitätsverlust im Analysator auf, io Fotozelle und dadurch auch die Sensitivität des und die Intensität des auf den Fotovervielfältiger auf- automatischen Steuer- bzw. Regelmechanismus ein fallenden Lichtes beträgt 0,5, dargestellt im Punkt B Maximum aufweist, kann die Retardiereinrichtung 64 der graphischen Darstellung. auch so gewählt werden, daß sie eine andere Retarda-

FaIlIII: Wenn der Modulator einer Belastung tion hat, deren Sinus nicht Null ist; diese Vorrichtung ausgesetzt ist, um augenblicklich eine Phasenver- 15 wird jedoch nicht mit maximaler Empfindlichkeit Schiebung von 90° zwischen den beiden Vektor- arbeiten.

komponenten im Strahl 60 zu erzeugen, ist nach Die Retardiereinrichtung 64 braucht keine Vorzweimaligem Durchgang durch den Modulator eine richtung zu sein, deren Verzögerung, gemessen in Phasenverschiebung von 180° erzeugt worden, und Wellenlängen, für Licht verschiedener Wellenlängen der auf die Retardiereinrichtung 64 auffallende Strahl 20 konstant ist. Angesichts der vorstehenden Feststelist planpolarisiert und mit seinem Vektor um 90° lungen bezüglich des Maximums der Empfindlichkeit relativ zu seiner Stellung vor dem Durchgang des resultiert aus einer Variation mit der Wellenlänge der Strahls durch den Modulator gedreht. Der Strahl bei Verzögerungsgröße der festen Retardiereinrichtung 65 ist zirkularpolarisiert und von entgegengesetztem lediglich eine Variation der Empfindlichkeit des Sinn in bezug auf den nach Fall I₅ so daß, wie im 25 automatischen Steuermechanismus mit der Wellen-Fall I, eine Hälfte des Lichtflusses bzw. der -stärke in länge. Die Retardiereinrichtung 64 kann so gewählt dem Analysator eleminiert ist und der diesen ver- werden, daß sie eine Viertelwellenvorrichtung bei lassende Strahl 103 a nur ein Viertel des ursprünglichen einer Wellenlänge ist, die etwa in der Mitte des Wellen-Intensitätsgehaltes aufweist. Dies legt der Punkt C in längenbereichs liegt, auf dem das Instrument arbeiten der graphischen Darstellung fest. 30 soll.

Eine vollständige Analyse zeigt, daß die Licht- Der Analysator 66 ist beschrieben worden als ein intensität/des Strahls 103a eine kontinuierliche sinus- Gerät vom Rochon- oder Senarmont-Typ; statt förmige Funktion der doppelten Differential-Phasen- dessen kann aber auch ein Plattenstapel-oder Polaroidverzögerung 20D ist, was sowohl für eine negative blattanalysator zum Einsatz kommen. Ein solcher als auch für eine positive Differential-Phasenver- 35 Austausch würde verständlicherweise in einer Modifischiebung zutrifft. Die Funktion ist: zierung der oben an Hand von drei Fällen gegebenen

Analyse resultieren, was die Größe der die Foto- /_{103 a} = —-.(1 — sin20jj). zellen 67 erreichenden Lichtintensität anbetrifft.

4 Wie aus F i g. 3 ersichtlich ist, betätigt der Ausgang

40 70 des Fotovervielfältigers 67 den Oszillatorverstärker

F i g. 4 legt auch dar, daß, wenn die Phasen- 21. Bei Inbetriebsetzung des Systems steigen die verzögerung zyklisch erzeugt wird, die Intensität des Oszillationen der Platte 10 in ihrer Größe an. Die Lichtes, das auf den Fotovervielfältiger trifft, sich Lichtintensität im Strahl 103 a resultiert in einer zyklisch ändert. Eine Analyse der Wellenform der Ausgangsgröße des Fotovervielfältigers bei 70, die Intensität zeigt, daß die Intensitätsvariationen die 45 den die Platte 10 antreibenden Oszillatorverstärker 21 Grundfrequenz der Phasenverschiebungs-Fluktuationen regelt. Wenn die optische Phasenverzögerung des des Modulators, multipliziert mit der Bessel-Funktion Modulators sich dem kritischen Wert von 110° nähert, J₁ (2 Φβ-max), enthalten, so daß, wenn die Amplitude wird die Grundkomponente der Lichtintensitäts- 0D-max der Fluktuations-Phasenverschiebung Φο etwa fluktuation verkleinert und nähert sich Null, wodurch 110° erreicht, die Grundkomponente der Fluktuation 5° sich die Ausgangsgröße des Oszillatorverstärkers 21 der Lichtintensität Null erreicht. Mit weiterem Anstieg verringert. Dies wiederum bewirkt, daß die Grundüber 110° höchster optischer Phasenverschiebungs- komponente wiederhergestellt und der Verstärker 21 Fluktuation hinaus erscheint die Grundkomponente in solcher Weise geregelt wird, daß das System einen in der Intensitätsfluktuation wieder, und zwar mit Gleichgewichtszustand nahe einer optischen Phasenumgekehrtem Vorzeichen (mit anderen Worten, mit 55 verzögerung von etwa 110° erreicht.
180° Veränderung der zeitlichen Phase), wodurch ein Es wurde gefunden, daß zur Aufrechterhaltung

Verschwinden der Grundkomponente der Intensität optimaler elliptischer Polarisationen des Strahls 33 bei etwa 110° höchster optischer Phasenverzögerung die Amplitude der durch die Platte 10 eingeführten erzielt wird. Phasenverzögerung annähernd 113° betragen sollte.

Die Vorzeichenumkehr der Grundkomponente der 60 Auf diese Weise arbeitet das System in einem stetigen Intensitätsfluktuation beim Durchgang durch den Zustand unter Bedingungen, die höchst genaue Nullwert bewirkt eine negative Rückführung über die Messungen von Zirkulardichroismus in Probenteilen Schleife, welche die Fotozelle 67, den Verstärker 21, begünstigen. Ähnliche Anordnungen von festgelegten die Antriebe 13 b, die Platte 10, die Retardiereinrich- Retardiereinrichtungen und Analysatoren können auch tung 64 und den Analysator 66 aufweist. Dieser 65 zum Einsatz kommen, um in Modulatoren eine ähn-Wechsel im Vorzeichen oder in der zeitlichen Phase liehe zyklische Variation der Doppelbrechung mit der Grundkomponente der Intensitätsfluktuation des stetigem Zustand zu erzeugen, jedoch mit anderen Lichtstrahls 103 a drückt sich in einem entsprechenden Amplituden, die sich dicht den idealen Modulations-

amplituden für andere Meßsystemtypen annähern, wie das dem Fachmann ersichtlich ist.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Gerät zum Modulieren der Polarisations-Elliptizität eines Lichtstrahls bzw. -bündeis, mit einem auf ein einfallendes linearpolarisiertes Strahlenbündel einwirkenden und zumindest einen austretenden Strahl mit zyklisch variierender Elliptizitat erzeugenden Modulator, gekennzeichnet durch eine erste auf einen solchen austretenden Strahl einwirkende Einrichtung (64, 66) zum Ableiten eines modifizierten Strahls (103 a), dessen Intensität zyklisch als Funktion der zyklisch variierenden Elliptizität variiert, und durch eine zweite, lediglich auf Charakteristika der zyklisch variierenden Intensität ansprechende Einrichtung (67, 21, 13) zur Regelung des Modulators zwecks Haltens der Amplitude der zyklischen Variation dieser Elliptizität nahe einem vorbestimmten Wert, wobei der Modulator lediglich durch die zweite Einrichtung geregelt bzw. gesteuert ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zyklisch variierende Elliptizität eine Variationsfrequenz aufweist und das Charakteristikum als eine Intensitätskomponente festgelegt ist, die zyklisch mit dieser Frequenz variiert, wobei die Komponente verschwindet, wenn die Amplitude sich genau auf ihrem vorbestimmten Wert befindet.

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zyklisch variierende Elliptizität eine Oszillationsfrequenz aufweist und das Charakteristikum als eine Intensitätskomponente festgelegt ist, die bei dieser Frequenz oszilliert, wobei die Amplitude dieser Oszillation sich bei dem vorbestimmten Wert ihrem Nullwert nähert.

4. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung einen Reflektor (62) aufweist, der so angeordnet ist, daß er den einen austretenden Strahl so umkehrt, daß er wieder durch den Modulator hindurchgeht, sowie eine feste Retardiereinrichtung (64) und einen Analysator (66) zum aufeinanderfolgenden Behandeln dieses austretenden Strahls umfaßt, um davon den modifizierten Strahl (103a) abzuleiten.

5. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung einen Fotodetektor (67) zur Aufnahme des modifizierten Strahls (103a) sowie einen Verstärker (21) aufweist, der durch den elektrischen Ausgang des Fotodetektors regelbar ist, wobei die Ausgangsgröße des Verstärkers so gewählt ist, daß sie den Modulator regelnd antreibt.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator eine Platte (10) aufweist, die auf eine Hauptfläche der Platte einfallendes Licht aufnimmt, und daß die zweite Einrichtung ferner einen Antrieb (13) aufweist, der an den Ausgang des Verstärkers angeschlossen und so mit der Platte gekoppelt ist, daß er deren mechanische Vibration in einer Längsrichtung bewirkt.

7. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des modifizierten Strahls in Übereinstimmung mit der augenblicklichen Größe der Differentialretardation des austretenden Strahls variiert und daß die zweite Einrichtung sowohl auf die Intensität als auch die zeitliche Phase einer Komponente des modifizierten Strahls anspricht.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung ein elektrisches Signal mit einer der Frequenz der zyklisch variierenden Elliptizität entsprechenden Frequenz erzeugt, wobei das Signal eine Amplitude hat, die sich bei in die Nähe des Wertes, der ein Optimum darstellt, ansteigender Amplitude der Retardationsoszillation verringert, und wobei das Signal den Modulator steuert bzw. regelt, um die Oszillationsamplitude der in den Strahl eingeführten Differentialretardation nahe diesem Optimalwert zu halten.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalamplitude durch einen Nullwert geht, wenn die Oszillationsamplitude der Differentialretardation sich nahe ihrem Optimalwert befindet, und daß das elektrische Signal eine Phase besitzt, die sich bei diesem Nullwert umkehrt.

10. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (25, 34, 37, 40, 41) zum Messen von Zirkulardichroismus, die so mit dem System verbunden ist, daß sie aus dem Modulator austretendes polarisiertes Licht aufnimmt,

11. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator ein Belastungs-Doppelbrechungs-Modulator ist.

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