DE1924787B2 - Zweistrahlphotometer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf e*n Zweistrahlphotometer mit einer Einrichtung zur Erzeugung linear polatisierter Strahlung, einem im Wege dieser Strahlung Ungeordneten Polansationsschalter zur periodischen Umschaltung der Polarisationsrichtung der Strahlung von einer ersten in eine zweite Lage, und mit einem hinter dem Polansationsschalter angeordneten Strahlteiler zur Erzeugung eines MeBstrahis. in dessen weg eine zu untersuchende Probe angeordnet ist, und eines Vergteichsstrahls.

Ein derartiges Zweistrahlphotomeier ist z. B. aus der FR-PS 14 86 600 bereits bekannt.

Weiterhin ist aus der GB-PS 9 OJ 988 eine Vorrichtung zur optischen Messung von Eigenschaften eurer Probe mittels zweier senkrecht zueinander polarisierter, wechselweise auf zwei Strahlengänge aufgeteilter Teilstrahlen bekannt

Die eingangs genannte und aus Fig.6 der FR-PS 86 600 bekannten Vorrichtung enthält einen Faraday-Modulator, der die Polarisationsebene einer linear polarisierten Strahlung moduliert Ferner ist dort als Strahlteiler eine mit zwei öffnungen versehene Platte vorgesehen. Diese Art der Strahlteilung hat jedoch den Nachteil, daß sie einen erheblichen Verlust an Strahlungsenergie hervorruft, wodurch Meßempfindlichkeit und: Meßgenauigkeit beeinträchtigt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingang« genannten Art zu schaffen, die eine praktisch verlustfreie Strahlteilung ermög

licht und somit zu besseren Meßergebnissen führt

Dies geschieht erfindungsgeniäß daduich, daß der Polarisationsschalter derart ausgebildet ist daß die Polarisationsrichtungen in der ersten und zweiten Lage aufeinander senkrecht stehen, und daß der Strahkeiler aus einem optischen, polarisationsempfindliehen Element besteht welches eine räumliche Trennung der senkrecht zueinander polarisierten Strahlungsanteile bewirkt-

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ergibt sich einmal der Vorteil, daß in beiden Polarisationsrichtungen im wesentlichen die gesamte Strahlungsenergie zur Verfügung steht Außerdem erfolgt eine exakte Trennung der senkrecht aufeinanderstellenden Strahlungsanteile, was ebenfalls zu einer Erhöhung der Genauigkeit beiträgt

Das polarisationsempfindliche Element kann z. B. ein doppelbrechendes Wollaston-Prisma oder eine Germaniumscheibe sein.

Zweckmäßigerweise sind bei der vorgeschlagenen Ausführungsform Mittel zur Vereinigung des MeßstrahL und des Vergleichsstrahls vorgesehen, und im Vereinigungspunkt beider Strahlen ist ein lichtempfindliches Element angeordnet.

Auch kann im Wege eines der beiden Strahlen vor einem Polarisator ein weiterer Polarisationsschalter angebracht sein, dessen Speisesignal vom im lichtempfindlichen Element erzeugten elektrischen Signal abgeleitet ist. Unter günstigen Umständen kann man dadurch eine weitere Verringerung bestimmter Ungenauigkeiten. z. B. infolge von Temperaturänderungen auftretenden Änderungen der Empfindlichkeit des Polarisationsschalters wie auch der Temperaturabhängig keit der Empfindlichkeit des lichtempfindlichen Elementes bewirken.

Die Polarisationsschaiter können z. B. den Faraday-Effekt aufweisende Elemente sein.

Die Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unte^ransprüche.

Die Polansationsumschaltung sollte symmetrisch zu der Polarisationsebene erfolgen, bei der beim Fehlen der Umschaltung das Bündel genau in zwei gleiche, je emen der Wege verfolgende Teile geteilt würde. Im Idealfall muß die Modulation auf beiden Seiten dieses Wertes 45^J betragen Die polarisationsempfindlichen Elemente, die als Analysatoren u. dgl. benutzt werden, dürfen keine Elliptizität in die Polarisation einführen, weil sonst Fehler auftreten, die sich nicht leicht oder z'iverfäßig ausgleichen lassen. Die Intensität des so erhaltenen Signals gibt sodann die gewünschte Differenz der in den beiden Wegen auftretenden Verluste in Form von Schwankungen.

Em Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Die einzige Figur zeigt schematisch ein Zweistrahlphotometer.

In der Zeichnung strahlt eine Lichtquelle 1 (mittels nicht dargestellter Mittel) ein gestrichelt gezeichnetes paralleles und linear polarisiertes infrarotbündel 2 zu einem aus einem Granat (z. B. einem Yttriumeisengranat oder einem davon abgeleiteten Granat) bestehenden, den Faraday-Effekt aufweisenden Element 3 aus, das in einem Magnetfeld angeordnet ist das durch einen Strom einer Quelle 4 bestimmt wird, die in Abhängigkeit von der Zeit einen rechteckförmigen Strom liefert wie dieser im Strom-Zeit-Diagramm 5 dargestellt ist und der eine symbolisch dargestellte Steuerspule 6 erregt Die Polarisationsebene des vom EIe-

ment 3 hindurchgelassenen Bündels 2' wechselt zwischen Richtungen, die den beiden Werten entsprechen, welche der Strom I in verschiedenen intervallen der Zeit t annimmt Der rechteckfonvge Strom hat eine derartige Größe, daß diese beiden Richtungen der Polarisationsebene senkrecht aufeinanderstellen.

Das Bündel Tf erreicht dann eine Gerinaniumrcheibe 7, die einen Winkel von 76°, den Brewster-Winkel, mit dem Bündel einschließt und in bezug auf die beiden senkrecht aufeinanderstehenden Polarisationsebenen derart orientiert ist, daß die gemäß einer der beiden Richtungen polarisierte Strahlung nahezu keine Reflexion erfährt, so daß sie zu nahezu 100% hindurchgelassen wird und dabei das (gestrichelt dargestellte) Bündel

8 bildet, während die in der anderen Richtung polaris^;erte Strahlung zu etwa 87% reflektiert wird und dabei das (durch eine ausgezogene Linie dargestellte) Bündel

9 bildet, während der Rest (etwa 13%) hindurchgelassen wird. Das hindurchgelassene Restbündel 8 enthält etwas Strahlung, die im Idealfall völlig reflektiert werden würde, und dieser Anteil von 13% läßt sich entfernen, obgleich es für eine gute Wirkung des Systems nicht erforderlich ist daß die die Probe enthaltende, die Strahlung absorbierende Zelle von einem linear polarisierten Bündel durchsetzt wird.

Es gibt nunmehr zwei Bündel 8 und 9 mit senkrecht aufeinanderstehenden Polarisationsebenen, und diese Bündel verfolgen infolge des Vorhandenseins eines Reflektors 10 im Weg des Bündels 9 parallel verlaufende Wege. In jedem Weg ist eine Meßzelle 11 bzw. 12 auf genommen, deren Vorderseite wiederum einen Brewster-Winkel mit dem betreffenden Bündel bilden kann, um erforderlichenfalls eine noch bessere Selektivität der Polarisation zu erhalten. Von einem Reflektor 13 wird eins der beiden Bündel, und zwar das Bündel 8, derart reflektiert, daß beide Bündel 8 und 9 auf ein gemeinsames lichtempfindliches Element 14 fallen. Das elektrische Ausgangssignal des Elementes in den Leitungen 15 ist ein rechteckförmiges Signal mit der Frequenz des im Diagramm 5 dargestellten Stromes, außer wenn auf das Element 14 Bündel 8 und 9 gleicher Intensität fallen. In diesem Falle ergeben sich keine Schwankungen.

Wenn die Zellen 8 und 9 im gleichen Maße absorbie ren, ist es zweckmäßig, daß am Element 14 keine Schwankung auftritt und dies ist dadurch erzielbar, daß ein Abschwächer 16 in einem der beiden Wege angeordnet wird. Wie bereits erwähnt, werden nur 87% der Strahlung mit der einen Polarisationsrichtung von der Platte 7 reflektiert während 100% der Strahlung mit der anderen Polarisationsrichtung durchgelassen wird, so daß allein aus diesem Grunde der Abschwächer 16 87% der auffallenden Strahlung durchlassen muß, um Gleichheit zu erreichen. Im allgemeinen gibt es noch weitere Ungieichförmigkeiten.

Wenn die Bündel 8 und 9 nicht genau linear polarisiert sind, sieht das Element 14 weniger Schwankungen, weil er aus beiden Richtungen gleichzeitig etwas Strahlung empfängt aber dies kann selbstverständlich mit Hilfe optischer oder elektrischer Maßnahmen berücksichtigt werden. In diesem Falle sind die Messungen jedoch weniger genau, sofern kein Ausgleich angewandt wird. Ein derartiger Ausgleich läßt sich leichter durchführen, wenn die Linearitätsabweichung der Polarisation der Bündel 8 und 9 symmetrisch ist.

Eine Information über die interessierende Absorption läßt sich der Amplitude des rechteckförmigen Wechselstroms in den Ausgangsleitungen 15 entnehmen. Dabei können jedoch infolge von Änderungen der Umgebungstemperatur des Faraday-Elementes 3 oder des Elementes 14 oder infolge einer im Faraday-Element auftretenden Rotation der Polarisationsebene, die von der Wellenlänge der auffallenden Strahlung abhängt unerwünscht große Ungenauigkeiten auftreten.

Um solche Ungenauigkeiten zu verringern, wird als Ausgleichsglied ein zweites Faraday-Element 17 benutzt, das elektromagnetisch durch eine Spule 18 gesteuert wird, der das Ausgangssignal des Elementes 14 über die Leitungen 15 zugeführt wird. Dieses Faraday-Element muß vor einem Polarisator angebracht werden. In diesem Falle muß der Reflektor 10 durch z. B. ^inen Reflektor mit Benutzung des Brewster-Effekts ersetzt werden.

Die Spule 18 ist so gerichtet daß sie zusammen mit dem polarisationsempfindlichen Reflektor 10 die Abschwächung des Bündels 9 derart regelt daß etwaige Schwankungen an Element 14 auf ein Mindestmaß beschränkt werden.

Dieser Ausgleichsstrom, der ein Gleichstrom sein kann, wird von einem Meßgerät 20 überwacht; der Ausschlag dieses Meßgerätes hängt von den relativen Absorptionen der Zellen 11 und 12 ab, auf die gleiche Weise, wie dies vorstehend beschrieben wurde. Dieser Ausschlag ist jedoch viel weniger von der Temperatur und von Streuungseffekten der Elemente 3 und 14 abhängig als im vorstehenden Fall.

Sogar wenn beim beschriebenen System die Ausgleichsvorrichtung weggelassen wird, verbleibt der Vorteil, daß keine bewegten Teile oder halbdurchläßige Spiegel verwendet werden.

Statt der unter dem Brewster-Winkel angeordneten Germaniumscheibe 7 kann ein doppelbrechendes Prisma Verwendung finden, weil dieses bekanntlich unterschiedliche Brechzahlen für Strahlungsbündel mit zueinander senkrechten Polarisationsebenen hat.

Eine der Zellen, im vorliegenden Fall die Zelle 12, ist häufig eine Normalzelle mit bekanntem Absorptionsvermögen, während die andere eine unbekannte zu untersuchende Substanz enthält.

Bei einer bestimmten Wellenlänge im Infrarotbereich ist Äthylalkohol, sogar in sehr geringen Mengen, erstaunlich stark absorbierend. Wenn die Zelle 11 ein Lösungsmittel für Äthylalkohol enthält und einer Atmosphäre ausgesetzt wird, die auch nur eine Spur von Äthylalkohol enthält, wird Strahlung mit dieser bestimmten Wellenlänge in erheblichem Maße absorbiert. Die Zelle 12 kann eine Normalzeit sein oder eine Substanz enthalten, die Strahlung in gleichem Maße wie die Zelle 11, wenn diese nicht einer Äthylalkohol enthaltenden Atmosphäre ausgesetzt wird, absorbiert. Die Zelle 12 wird nicht einer Äthylalkohol enthaltenden Atmosphäre und ebensowenig anderen störenden Einflüssen ausgesetzt. Eine geringe Äthylalkoholmenge hat sodann eine erhebliche Schwankung der auf das Element 14 fallenden Strahlung zurfolge und bewirkt infolgedessen, daß im Meßgerät 20 ein erheblicher Strom fließt, der proportional zur betreffenden Schwankung ist. Eine wichtige Anwendung dieses Effekts ist die Bestimmung der Äthylalkoholmenge im Atem von Kraftfahrzeugfahrern, bei denen der Verdacht besteht, daß sie nicht imstande sind, ihr Fahrzeug sicher zu lenken, indem man sie in eine Atmosphäre blasen läßt, die mit dem Lösungsmittel für Äthylalkohol in der Zelle 11 in Verbindung steht, wonach die sich am Element 14 ergebenden Schwankungen gemessen werden. Die Quelle 1 muß möglichst monochromatisch sein, um eine maxi-

male Empfindlichkeit bei der Wellenlänge, die von Äthylalkohol stark absorbiert wird, zu erzielen.

Das In den Leitungen 15 auftretende Ausgangssignal des lichtempfindlichen Elements 14 kann als die Abweichung vom Bezugssignal eines phasenempfindlichen Servosystems 21 benutzt werden, dessen Ausgangsstrom im Meßgerät 20 überwacht wird. Dieser Strom liefert ein Magnetfeld für das Faraday-Element 17.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Zweistrahlphotometer mit einer Einrichtung zur Erzeugung linear polarisierter Strahlung, einem s im Wege dieser Strahlung angeordneten Polarisationsschalter zur periodischen Umschaltung der Polarisationsrichtung der Strahlung von einer ersten in eine zweite Lage, und mit einem hinter dem Polarisationsschalter angeordneten Strahlteiler zur Er- zeugung eines Meßstrahls, in dessen Weg eine zu untersuchende Probe angeordnet ist und eines Vergleichsstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisationsschalter (3,4.5,6} derart ausgebildet ist daß die Polarisationsrichtungen in der ersten und zweiten Lage aufeinander senkrecht stehen, und daß der StrahlteHer (7) aus einem optischen. polansationsempFindfichen Element bezieht, welches eine räumliche Trennung der senkrecht zueinander polarisierten Strahlungsanteile bewirkt.

2. Photometer nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (10, 13) zur Vereinigung des Meßstrahls und des Vergleichsstrahls vorgesehen sind und im Vereinigungspunkt beider Strahlen ein lichtempfindliches Element (14) angeordnet ist

3. Photometer nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet daß im Wege eines der beiden Strahlen vor einem Polarisator (10) ein weiterer Polarisationsschalter (17. 18) angebracht ist dessen Speisesignal vom im lichtempfindlichen Element (14) erzeugten elektrischen Signal abgeleitet ist.

4. Photometer nach Anspruch 1.2 oder 3* dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsschalter {3. 4. 5. 6; 17. 18) den Faraday Effekt aufweisende Elemente sind.