DE1797427C3 - Vorrichtung zur Messung der EIHptizität einer Lichtwelle - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Elliptizität 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 Ausgangssigna! des Photovervielfachers trennenden Auswerteschaltung.

Es ist eine Vorrichtung zum Messen mechanischer Spannungen im Innern von lichtdurchlässigen photoelastischen Körpern bekannt (FR-PS 13 83 071), 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 Polarisationsellipse nur die Amplitude der Wechselstromkomponentc eemessen.

Es ist ferner eine Vorrichtung zur Messung der optischen Rotationsdispersion und des Zirkulardichroismus bekannt (Zeitschrift für Instrumentenkunde, 75 [1967], Heft 3/4, S. 111 bis 124), die einen Photovervielfacher und eine an den Photovervielfacher angeschlossene Schaltung zur Trennung einer Gleichstromkomponente von einer Wechselstromkomponente im Ausgangssignal des Phoiovervielfachers aufweist. Das Verhältnis der Wechselstromkomponente zu der 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 Lichtelüpse bestimmt und danach mit Hilfe des Babinetkompersators die Abflachung der Polarisationsellipse gemessen wird. Hierbei wird eine bestimmte Anzahl von Interferenzstreifen 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 mit 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 Wechselstromkomponente und des Bezugssignals entsprechenden Signals 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 großen Halbachse der Polarisationsellipse ist durch die Phase zwischen der Wechselstromkomponente und dem Bezugssignal gekennzeichnet.

Im Gegensatz zur erfindungsgemäßen Vorrichtung wird bei der bekannten Vorrichtung (FR-PS 13 83 071) nur die Amplitude der Wechselstromkomponente zur Bestimmung der Abflachung der Polarisationsellipse gemessen. Hierbei muß allerdings die Gleichstromkomponente konstant gehalten werden. Bei der bekannten Vorrichtung wird die Stellung der großen Halbachse der Polarisationsellipse nicht gemessen.

Die weitere bekannte Vorrichtung (Zeitschrift für Instrumentenkunde, 75 [19671 Heft 3/4, S. Ml bis 124) dient lediglich zur Messung der optischen Rotationsdispersion und des Zirkulardichroismus und kann nicht zur Messung der Parameter der Polarisationsellipse 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 Elliptizität 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 Ellipse und der andere Lichtstrahl einer Meßvorrichtung zur Messung der Orientierung der großen Hauptachse der Ellipse zugeführt wird Die zuletzt genannte Meßvorrichtung weist ein Doppelprisma auf, welches den einfallenden Lichtstrahl in zwei Lichtstrahlen aufteilt. Diese beiden Lichtstrahlen durchsetzen einen rotierenden Analysator und -verden daraufhin einem Photovervielfacher zugeführt Bei dieser bekannten Meßvorrichtung durchsetzen also zwei senkrecht zueinander liegende, linear polarisierte Lichtstrahlen den rotierenden A.nalysator, so daß dann zwei Strahlen dem Photovervielfacher zugeführt werden. Ein solches Doppelprisma ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht vorgesehen. Würde die erfindungsgemäße Vorrichtung ein solches Doppelprisrna aufweisen, dann wäre es unmöglich, mit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung die Abflachung der Polarisationsellipse zu messen. Bei der bekannten Vorrichtung wird der rotierende Analysator nur zu der Feststellung verwendet, ob die zwei Strahlen die gleiche Amplitude haben oder nicht. Wenn beide Strahlen die gleiche Amplitude aufweisen, ist das vom Photovervielfacher gelieferte Signal ein Gleichstromsignal; wenn beide Strahlen nicht die gleiche Amplitude haben, ist das vom Photovervielfacher gelieferte Signal ein Wechselstromsignal. Bei der bekannten Vorrichtung weist auch die Meßvorrichtung zur Messung der Abflachung der Ellipse ein Doppelprisma auf. Durch die Verwendung von Doppelprismen, die den einfallenden Lichtstrahl in zwei Lichtstrahlen aufteilen, die die folgenden optischen Elemente an verschiedenen Punkten durchsetzen, können Fehler auftreten. Außerdem werden bei der bekannten Vorrichtung durch die Verwendung von Halbspiegeln bzw. Spiegeln die Polarisationseigenschaften eines Lichtstrahles verändert, so daß die bekannte Vorrichtung keine genauen Meßergebnisse liefert.

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

Weiterbildungen bzw. Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Polarisationsellipse mit Halbachsen a und b, deren große Achse mit der Bezugsachse Ox einen Winkel λ bildet,

Fig. 2 schematisch einen Teil einer Vorrichtung zur Messung der Elliptizität und

Fig.3 schematisch eine Vorrichtung zur Messung der Elliptizität.

In Fig. 1 ist eine Polarisationsellipse dargestellt, deren Halbachsen a und b sind und deren große Halbachse a mit der Bezugsachse Ox einen Winkel <x bildet. Die durch einen Analysator, dessen Polarisationsachse mit Ox einen Winkel β bildet, übertragene Lichtenergie i'hat die Gleichung

/, <r cos"' (,; α] ι />■' sin'¹ (,; α]. b

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einen stromabwärts angeordneten Photovervielfacher erreichende Lichtstrom wie die Summe zweier Lichtströme Ei und Ei, von denen einer konstant ist und der andere veränderlich.

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COS 1 {ml — ti) .

Am Ausgang des Photovervielfachers gewinnt man also einen modulierten Strom, wobei sich die wissenswerten Informationen einerseits auf der Frequenz dieses Stromes befinden und andererseits auf der zweifachen Rotationsfrequenz des Analysators.

Die Abflachung wird durch die Beziehung

, = cos 2 /.

Falls der Analysator mit konstanter Geschwindigkeit itiort um! /war mit Kreislrequen/ o), erscheint der der Amplitude der Wechselspannung zu der Gleichspannung gekennzeichnet. Die Stellung der großen Halbachse ist durch die Phase 2 α des Wechselstromsignals in bezug auf ein Bezugssignal cos 2 ωί, das mit der doppelten Rotationsgeschwindijkeit des Analysators verbunden ist, gekennzeichnet.

Unter Bezugnahme auf F i g. 2, die schematisch einen Teil der Vorrichtung darstellt, findet man aufeinanderfolgend auf der Bahn des Lichtbündels ein ausrichtbares und entfernbares Viertelwellenlängenplättchen 11, einen mit konstanter Geschwindigkeit rotierenden Analysator 12 und einen Photovervielfacher 1. Diese Anordnung eines Viertelwellenlängenplättchens vor einem rotierenden Analysator ist bereits bekannt (US-PS 31 83 763).

Gemäß Fig. 3 ist am Ausgang des Photovervielfachers 1, der von beliebiger geeigneter Art sein kann, eine Trenneinrichtung 2 vorgesehen. Diese Trenneinrichtung 2 kann aus mehreren Filtern bestehen, die eine Gleichstromkomponente und eine Wechselstromkomponente bestimmter Frequenz des gleichen elektrischen Stromes trennen können, wobei die anderen Frequenzkomponenten eliminiert werden, die nur vom Photovervielfacher stammende Störgeräusche sein können.

Diese Möglichkeit kann um so besser ausgenutzt werden, je schmaler das in dieser Trenneinrichtung für die zweifache Rotationsfrequenz des rotierender. Analysators vorgesehene Durchlaßband ist. Das Filter in der Leitung II muß eine bestimmte Bandbreite haben, um die Stabilität der Servovorrichtung 4,5,6 zu sichern. Auf der Leitung I befindet sich die Wechselstromkomponente der Spannung und auf der Leitung II die Gleichstromkomponente der gleichen Spannung. Man bedient sich der auf der Leitung I befindlichen Wechselspannung, um einerseits beim Vergleich ihrer Phase mit einem cos 2 ωί proportionalen Signal, das aus der Vorrichtung austritt, die eine Bezugsphase liefert, die Orientierung der Polarisationsellipse zu bestimmen und andererseits durch Gleichrichtung mittels eines Gleichrichters 3, der bequemerweise aus einer üblichen Diode besteht, eine zu

I t T-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 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 Bezugsrichtung in der vorteilhaftesten Richtung festgelegt ist. Die aus der Trenneinrichtung 2 auf die Leitung II gelangende Gleichspannung wird mit einer festen Spannung V mit Hilfe eines Vergleichsmittels 4 verglichen, das zwei Eingänge, von denen der eine Eingang die feste Spannung Vaufnimmt und der andere die aus dem Trennmittel 2 auf die Leitung Il gelangende Gleichspannung, und einen Ausgang besitzt, auf dem sich ein dem algebraischen Unterschied dieser beiden Spannungen gleichendes Signal befindet. Dieser Unterschied 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

zu ermitteln, kann man wahlweise den Quotienten aus der aus dem Gleichrichter 3 austretenden gleichgerichteten Wechselspannung und dem Durchschnittswert der auf der Leitung II des Trennungsmittels 2 befindlichen Glieichspannung 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 II des Trennungsmittels 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 unter der Bedingung, daß dieser konstant ist und daß man die zu beobachtende elliptische F'olarisation bis zur linearen Polarisation verändern kann. Dieser letzten Bedingung wird dann Genüge getan, wenn ein ausrichtbares und entfernbares Viertel welle rilängenplättchen eingeführt wird, dessen schnelle Achse auf der Halbachse der schon bestimmten Ellipse ist.

Es kann festgestellt werden, daß die beschriebene Vorrichtung sowohl auf zv/ei- als auch auf dreidimensionale Photoelastizimetrie E.riwendbar ist. Jeder transparente Körper wirkt auf d ie Polarisation ein, und diese Einwirkung hängt von den mechanischen Spannungen ab, die direkt mit der Doppelbrechung in Zusammenhang stehen. Die beschriebene Vorrichtung mißt automatisch diese Doppelbrechung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung der Elliptizität einer Lichtwelle mit einem Photovervielfacher, einem ^or 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, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines Bezugssignals bei der zweifachen Drehfrequenz des Analysators (12), das der AuswerteschaJtung (tf, 2,3,4,5,6,7; zwecks Erzeugung eines dem Unterschied in der Phase der Wechselstromkomponente und des Bezugssignals entsprechenden Signais 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 Gleichstromkompone nte besitzt. 2

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 (11) 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 eimen festen, aber einstellbaren Polarisator auf der einen Seite des rotierenden Analysators und eine Photozelle auf dessen gegenüberliegender Seite enthält.