DE1797427B2 - Vorrichtung zur messung der elliptizitaet einer lichtwelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Elliptizität einer Lichtwelle mit einem Photoverviclfacher, einem vor dem Photovervielfacher angeordneten, mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotierenden Analysator und einer an den Photovervielfacher angeschlossenen, eine Gleichstromkomponente von einer Wechselstromkomponente im Ausgangssign;»¹ des Photovervielfachers trennenden Auswerteschaltung.

Es ist eine Vorrichtung zum Messen mechanischer Spannungen im Innern von lichtdurchlässigen photoelastischen Körpern bekannt (FR-PS 13 83071), mit der der Polarisationszustand von an den Körpern gestreutem Licht gemessen wird. Diese bekannte Vorrichtung weist ebenfalls einen rotierenden Analysator, einen Photovervielfacher und eine an ihn angeschlossene, eine Gleichstromkomponente von einer Wechselstromkomponente im Ausgangssignal des Photovervielfachers trennende Auswerteschaltung auf. Hierbei wird zur Bestimmung der Abflachung der Polarisationsellipsc nur die Amplitude der Wechselstromkomponcnte Es ist ferner eine Vorrichtung zur Messung der optischen Rotationsdispersion und des Zirkulardichroismus bekannt (Zeitschrift für Instrumentenkunde, 75 Π 967], Heft 3/4, S. 111 bis 124), die einen Photovervielfa-

eher und eine an den Photovci vielfacher angeschlossene Schaltung zur Trennung einer Gleichstromkomponente von einer Wechselstromkomponente im Ausgangssignal des Photovervielfachers aufweist. Das Verhältnis der Wechselstromkomponente zu der

ο Gleichstromkomponente ist ein Maß für den Zirkulardichroismus.

Es ist schließlich ein Verfahren zur Messung der Elliptizität einer Lichtwelle bekannt, bei dem zunächst die Orientierung der Achsen der Lichtellipse bestimmt

ν und danach mit Hilfe des Babinetkompensators die Abflachung der Polarisationsellipse gemessen wird. Hierbei wird eine bestimmte Anzahl von Interferenz-Streifen ermittelt. Dieses bekannte Verfahren ist umständlich, langwierig und wenig genau.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung der oben bezeichneten Art so auszubilden, daß ;nit ihr die Parameter der Polarisationsellipse einer Lichtwelle gemessen werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine

- Einrichtung zur Erzeugung eines Bezugssignals bei der zweifachen Drehfrequenz des Analysators. das der Auswerteschaltung zwecks Erzeugung eines dem Unterschied in der Phase der Wechselstromkompone;' te und des Bezugssignals entsprechenden SignaN zuführbar ist.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich die Abflachung der Polarisationsellipse aus dem Verhältnis der Amplitude der Wechselstromkomponente zu der Gleichstromkomponente. Die Stellung der

ν großen Halbachse der Polarisationsellipse ist durch die Phase zwischen der Wechselstromkomponente αη-ά dem Bezugssignal gekennzeichnet.

Im Gegensatz zur erfindungsgemäßen Vorrichtung wird bei der bekannten Vorrichtung (FR-PS 13 8307!)

ι nur die Amplitude der Wechsektromkompunente /in Bestimmung der Abflachung der Polarisationsellipse gemessen. Hierbei muß allerdings die Gleichstromkomponente konstant gehalten werden. Bei der bekannten Vorrichtung wird die Stellung der gi oßen Halbachse der Polarisationsellipse nicht gemessen.

Die weitere bekannte Vorrichtung (Zeitschrifi für Instrumentenkunde. 75 [1967], Heft 3/4, S. 111 bis 124) dient lediglich zur Messung der optischen Rotationsdispersion und des Zirkulardichroismus und kann nicht zur Messung der Parameter der Polarisationscllipse einer Lichtwelle verwendet werden. Es wird zwar mit dieser bekannten Vorrichtung ebenfalls das Verhältnis der Wechselstromkomponente zu der Gleichstromkomponente bestimmt, das aber in diesem Falle lediglich ein Maß für den Zirkulardichroismus ist, während es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Maß für die Abflachung der Polarisationsellipse ist.

Gegenüber dem bekannten Verfahren zur Messung der Elliptizität einer Lichtwelle, bei dem der Babinetkompensator Verwendung findet, hat die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, daß mit ihr durch eine einzige Messung die Parameter einer Polarisationsellipse schnell und genau gemessen werden können.

Es ist ferner eine Vorrichtung zur Messung der Elliptiziiäi einer Lichtwelle bekannt (FR-PS 14 79 298). in der ein elliptisch polarisierter Lichtstrahl in zwei getrennte Lichtstrahlen aufgeteilt wird, von denen der eine Lichtstrahl einer Meßvorrichtung zur Messung der

Abflachung der tiiipse unu der inue-e _.cnti;:.ran; einer Heßv&rr-ch'ung zur Messung der Onennerung der großen Hauptachse der Ellipse zuiefunrt wird Die «uiet2t genannte Mibvomcrs-rg *e:s" ein Do£ce:arisfis auf. we;cnes der einfallenden Uchunriini in z-vei Ijchtstrahien auf-eiit. Diese ie;den ücntstriütien durchsetzen einen rotierenden Analysator und werden daraufhin einem Photovar/ieifacne!- zugeführt. Bei roruneo
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lincere .'ci'anceriic:

ei senkrecht zueinander liegende, linear poiartsierte ;h;j*'2h!en den rotierender. Analysator, :-;o daß dann rwe; Srrahien cerr. r-no:o^erv:ei:acher zugeführt werten. Ein «jiches Docpeipnsma ist be: der erflndungigemäSen V&rnchtung nicht vorgcsenen. Vvurce i-.i erfindungsgerriäe vo~:cntung ein soiches Doppeipns- tna auf'^eiic". dann ~ire es unmöglich, rn;t dieser erfirdung.igerr.aier. v'ornchtung die Abflachung der poUrisationseüipse ^u messen. Bei der bekannten Vomchtunä; wird atT rotierende .Analvsator nur zu der Fest.itsiiunä' verwende:, ob die z*ci Stramen c;e gicicne Amsliiüde harter. o<2e" nicrt. Wenn beide Strahlen die gleiche Amplitude aufweisen. :?,: das ^r.&m Photover-ictfacher geiferte Signal e.n Gie.ch.s-romsigr.ai: «enn beide Strahle" "icnt d.e bleiche Artsiit^de haben, ^t das vom PhoTOvervieifachir gelieferte Signa! em Wechsel- »troms.igr.ai. Bei de' te<ann*en Vorncntung vielst a^ch die WeS-'Orri'tntung zur Messung cer Ac?la.;nung der F.iil:^e e:n Dopoeir.- trr.a auf- Durch d:e Verwendung von DopDelpri-.rr.er;. :: e den einfalle;':din Lichiit'ah! in zwei l.ic.h'v'r.y'.ien a^''eilsn die uie io,ginden optiicrien aisc einen ~ocuherten Strom, -^cet: <:·."" :; -~ sse-s- *erter; informationen einerseits a_: _e" F.-icu-;-"--dieses Stromes befincen unc anaererse.ti -.J dr" zweifachen Rotauonsfrecuenz aes Ar.a^sdtc "-.
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können Fe'ier a.^'ireien. Außerdem werden De der bekann-cn Vorri'.htung durch die Verwendung -.on Halbspiegeir, Ti/:*,. Spiegeln die Polansaüonseigenschait:;n eine, i.ich'ürahles verändert, so daß die bekannte Vorrichtung keine genauen Meuergebmsse liefert.

Gegenüber dieser bekannten Vorrichtung hat die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, daß sie wesentlich einfacher ausgebildet ist und genauere Meßergebrisse liefert.

Weiterbildungen bzw. Ausgestaltungen der F.rfindung ^nd Gegenstand der Lntc-ranspruche.

Die f-.rfindung wird an Hand der Figuren näher erläutert. Fs zeig!

F i g. 1 eine Polarisationseihpse mit Halbachsen a und ₄; b, deren große Achse mit der Bezugsachse Ox einen Winkel α bildet.

F i g. 2 schematisch einen Teil einer Vorrichtung zur Mcssung der Kllipti/ität und

f- i g. J schemalisch eine Vorrichtung zur Messung <■·.■ der Flliptizität.

In Ii g. 1 ist eine Polarisationsellipse dargestellt, deren Halbachsen ;t und b sind und deren große Halbachse a mit der Uezugsaehse Ox einen Winkel \ bildet. Die durch einen Analysator, dessen Polarisations- ^< achse mit Ox einen Winkel β bildet, übertragene l.ichtenergie /i'hat die Gleichung

/■. ii cos- ι . ./!■/>■ snr ι ; ...ι

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l'alls der Analysator mit konstanter (Jcschwindigkeit rotiert, und /war mit K reisfrequcn/ <>>, erscheint der unu enttcrncares ^ lertel^ o'.eniäntenDliitcr
einen mn konstanter Gi-cn^inciitse:; rotiere nc; η Analysator 12 und einen r-"otov.er\ie!iachcr 1. D;o>c Anordnung eines V;ene!\vc!ieniängenpiai'ehe^r":> \or einem rotierenden Ana^su'or ;>t be-. ·.> r-ck.i·-.:·:·. (LS-PS 3; 83 7o3).

Gemäß Fig. 3 ist am Ausgang des Pnoto\or\;eitachers 1. der \on beliebiger geeigneter Art sein kann. eine Trenneinrichtung 2 vorgesehen. Diese Trenneinrichtung 2 kann aus mehreren Filtern bestehen, die eine Gleichstromkomponente und eine Wechseisiromkomponente bestimmter Frequenz des gleichen elektrischen Stromes trennen können, wobei die anderen Krequen/-komponenten eliminiert werden, die nur vom Pnoto\ ervielfacher stammende Störgeräusche sein können.

Diese Möglichkeit kann um so besser ausgenuvt werden, je schmaler das in dieser Trenneinrichtung t'iir die zweifache Rotationsfrequenz des rotierenden Analysators vorgesehene Durcniaßbanci ist. Das Filter in der Leitung Il muß eine bestimmte Bandbreite haben, um die Stabilität der Ser\o\orrichtur,g A. 5. 6 /u sichern. Auf der Leitung I befindet sich die Wechselstromkoni· ponente der Spannung und auf der Leitung II die Gleichstromkomponente der gleichen Spannung. Man bedient sich der auf der Leitung 1 befindlichen Wechselspannung, um einerseits beim Vergleich ihrer Phase mit einem cos 2 oji proportionalen Signal, das aus der Vorrichtung austritt, die eine Bezugsphase liefert, die Orientierung der Polarisationsellipse zu bestimmen und andererseits durch Gleichrichtung miuols eines Gleichrichters .3, der bequemerweise aus einer üblichen Diode besieht, eine zu

proportionale Größe zu erhalten.

Das die Bezugsphase liefernde Gerät kann praktischerweise aus einer photoelektrischen Zelle bestehen, die ein aus einer Lampe stammendes, durch einen festen Polarisator polarisiertes und den rotierenden Analysator durchsetzendes Lichtbündel empfängt. Man wird ^s dennoch feststellen, daß die Lage des festen Polarisators auf dem Weg der Lichtstrahlen keinerlei Bedeutung hat und daß nur die Kenntnis seiner Polarisationsrichtung wichtig ist. Die Orientierung des festen Polarisators ist regulierbar, und seine Stellung ist so gewählt, daß die ι ο Bezugsrichtung in der vorteilhaftesten Richtung festgelegt ist. Die aus der Trenneinrichtung 2 auf die Leitung 11 gelangende Gleichspannung wird mit einer festen Spannung V mit Hilfe eines Vergleichsmittels 4 verglichen, das zwei Eingänge, von denen der eine is Eingang die feste Spannung Vaufnimmt und der andere die aus dem Trennmittel 2 auf die Leitung 11 gelangende Gleichspannung, und einen Ausgang besitzt, auf dem sich ein dem algebraischen Unterschied dieser beiden Spannungen gleichendes Signal befindet. Dieser Unter- :<> schied wird durch einen Verstärker 5 verstärkt, der ein Gleichstromverstärker sein kann. Die Leistung des Verstärkers 5 wird auf die Hochspannungsgeneratorsteuerung 6 des Photovervielfachers 1 übertragen. Die Verstärkung des Verstärkers 5 wird so geregelt, daß der : < Durchschnittswert des Ausgangsstromes des Photovervielfachers 1 konstant ist. Um die Größe

1 - τ²
I -I- τ²

zu ermitteln, kann man wahlweise den Quotienten aus der aus dem Gleichrichter 3 austretenden gleichgerichteten Wechselspannung und dem Durchschnittswert der auf der Leitung Il des Trennungsmittels 2 befindlichen is Gleichspannung mit Hilfe eines Meßgerätes. 7 bilden, das ein Quotientenmesser sein kann, dessen einer Eingang mit der gleichgerichteten Wechselspannung und dessen anderer Eingang mit der von der Leitung II des Trennungsmittels 2 ausgetretenen Gleichspannung verbunden ist. Oder aber man kann einfach die Wechselspannung auf der vom Trennungsmittel 2 ausgehenden Leitung I messen, indem man vorher eine Eichung vornimmt. Man sieht, daß in diesem Fall der Gleichrichter 3 nicht mehr notwendig ist und auch nicht der Leiter, der die Leitung Il desTrennungsmitiels 2 mit dem Meßgerät 7 verbindet.

Im ersten Fall geht den Messungen eine Eichung mit linear polarisiertem Licht voraus. In diesem Fall ist das Verhältnis beider Komponenten tatsächlich 1, was ein bequemer Wert ist, um den Quotientenmesser abzugleichen.

Es ist ersichtlich, daß das Verfahren gültig bleibt, wenn ein nicht monochromatischer und nicht polarisierter Lichthintergrund vorhanden ist, jedoch un'er der Bedingung, daß dieser konstant ist und daß man die zu beobachtende elliptische Polarisation bis zur linearen Polarisation verändern kann. Dieser letzten Bedingung wird dann Genüge getan, wenn ein ausrichtbares und entfernbares Viertelwellenlängenplättchen eingeführt wird, dessen schnelle Achse auf der Halbachse der schon bestimmten Ellipse ist.

Es kann festgestellt werden, daß die beschriebene Vorrichtung sowohl auf zwei- als auch auf dreiclimensio nale Photoelastizimetrie anwendbar ist. Jeder transparente Körper wirkt auf die Polarisation ein. und diese Einwirkung hängt von den mechanischen Spannunger ab, die direkt mit der Doppelbrechung in Zusammen hang stehen. Die beschriebene Vorrichtung miß automatisch diese Doppelbrechung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung der Eüiptizkät einer Lichtwelle mit einem Photovervielfacher, einem vor dem Photovervielfacher angeordneten, mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotierenden Analysator und einer an den Photovervielfacher angeschlossenen, eine Gleichstromkomponente von einer Wechselstromkomponente im Ausgangssignal des Photovervielfachers trennenden Auswerteschaltung, g e kennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines Bezugssignals bei der zweifachen Drehfrequenz des Analysators (12), das der Auswerteschaltung (1,2.3,4,5,6,7) zwecks Erzeugung eines dem Unterschied in der Phase der Wechselstromkomponente und des Bezugssignals entsprechenden Signals zuführbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (1,2,3,4,5,6,7) einen Gleichrichter (3) zur Gleichrichtung der Wechselstromkomponente und eine Einrichtung (7) zur Messung des Quotienten aus der gleichgerichteten Wechselstromkomponente und der Gleichstromkomponente besitzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Komparator (4) zum Vergleich der Gleichstromkomponente mit einer festen Bezugsspannung vorgesehen ist und daß der Ausgang des !Comparators (4) mit einer Einrichtung (5, 6) zur Steuerung der Hochspannung des Photovervielfachers (1) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein drehbares Viertelwellenlängenplättchen (U) vor dem Analysator (12) in den Strahlengang einbringbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines Bezugssignals eine Lampe und einen festen, aber einstellbaren Polarisator auf der einen Seite des rotierenden Analysators und eine Photozelle auf dessen gegenüberliegender Seite enthält.