RU2682605C1 - Circular dichroism dichrographs calibration device - Google Patents

Circular dichroism dichrographs calibration device Download PDF

Info

Publication number
RU2682605C1
RU2682605C1 RU2017146526A RU2017146526A RU2682605C1 RU 2682605 C1 RU2682605 C1 RU 2682605C1 RU 2017146526 A RU2017146526 A RU 2017146526A RU 2017146526 A RU2017146526 A RU 2017146526A RU 2682605 C1 RU2682605 C1 RU 2682605C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
light
optical axis
angle
circular dichroism
dichrographs
Prior art date
Application number
RU2017146526A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Николаевич Заблуда
Александр Леонидович Сухачев
Оксана Станиславовна Иванова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук"
Priority to RU2017146526A priority Critical patent/RU2682605C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2682605C1 publication Critical patent/RU2682605C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21Polarisation-affecting properties
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/19Dichroism
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00Optical elements other than lenses
    • G02B5/30Polarising elements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Polarising Elements (AREA)

Abstract

FIELD: optics.
SUBSTANCE: invention relates to the optical devices, simulating having circular dichroism (CD) substance, with possibility to control the specified effect value in a wide range of values at the selected wavelength, which preserves the light beam movement strictly along the optical axis during the calibration process. Circular dichroism dichrographs calibration device contains linear polarizer, phase plate, providing the path difference between ordinary and extraordinary rays (2m+1)⋅λ/4). As the polarizer, two isotropic transparent dielectric plates of equal thickness with equal fixed angles of inclination are used α and -α relative to the optical axis and with possibility of their consistent rotation about this axis.
EFFECT: development of the circular dichroism dichrographs calibration device, which maintains the system alignment strictly along the optical axis during the calibration process.
1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к оптическим устройствам, имитирующим вещество, обладающее круговым дихроизмом (КД), служащее для калибровки дихрографов кругового дихроизма.The invention relates to optical devices that simulate a substance with circular dichroism (CD), used to calibrate circular dichroism dichrographs.

Круговой дихроизм - один из эффектов оптической анизотропии, проявляющийся в различии коэффициентов поглощения света, поляризованного по правому и левому кругу. Спектры КД, как правило, содержат узкие, хорошо разрешимые полосы, индивидуальные для каждого вещества, поэтому измерения КД используются достаточно широко в различных областях науки, особенно химии, медицине, биофизике. Метод КД является высокочувствительным методом исследования различных веществ и важным аспектом измерения является точность калибровки сигнала, поскольку величина эффекта обычно не превосходит нескольких долей процента от значения коэффициента поглощения в неполяризованном свете. Установление зависимости между показаниями приборов и абсолютными величинами эффектов, востребованная необходимость экспериментаторов, измеряющих КД.Circular dichroism is one of the effects of optical anisotropy, manifested in the difference in the absorption coefficients of light polarized along the right and left circles. CD spectra, as a rule, contain narrow, well-resolved bands that are individual for each substance; therefore, CD measurements are used quite widely in various fields of science, especially chemistry, medicine, and biophysics. The CD method is a highly sensitive method for studying various substances and an important aspect of the measurement is the accuracy of signal calibration, since the magnitude of the effect usually does not exceed several fractions of a percent of the absorption coefficient in unpolarized light. Establishing a relationship between the readings of instruments and the absolute magnitudes of the effects, the demand for experimenters measuring CD.

В подавляющем большинстве случаев, калибровка дихрографов КД, производится с применением оптически активного вещества - эталона, величина КД которого известна на определенной длине волны. Например, в заявке [РФ №2013123106, МПК G01N 21/00, опубл. 27.11.2014 г.] предлагается использовать полимерный оптически активный материал, представляющий собой гель, в котором распределены и иммобилизованы частицы двухцепочечных молекул нуклеиновых кислот, обладающие характерным аномальным круговым дихроизмом с определенным по величине сигналом при облучении циркулярно-поляризованным излучением на дискретной длине волны в УФ диапазоне спектра и сохраняющий эту характеристику в течение нескольких месяцев после его изготовления.In the vast majority of cases, calibration of CD dichrographs is carried out using an optically active substance - a standard, the value of which is known at a certain wavelength. For example, in the application [RF No. 2013123106, IPC G01N 21/00, publ. November 27, 2014] it is proposed to use a polymer optically active material, which is a gel, in which particles of double-stranded nucleic acid molecules are distributed and immobilized, which have a characteristic abnormal circular dichroism with a signal of a certain magnitude when irradiated with circularly polarized radiation at a discrete wavelength in UV spectral range and retaining this characteristic for several months after its manufacture.

Отметим, что использование эталонных веществ имеет ряд существенных недостатков. В первую очередь, это нестабильность заданной величины сигнала во времени и при воздействии различных факторов (температуры, давления, влажности и т.д.). Во-вторых, каждое эталонное вещество характеризуется ограниченным количеством пиков КД и не существует веществ с достаточным количеством пиков в широком спектральном интервале, что ведет к необходимости иметь набор эталонных веществ с характерными особенностями на разных длинах волн. Кроме того, величина эффекта эталонного вещества должна быть близка к величине эффекта измеряемого вещества, а это диапазон величин 10-6-10-1. Принимая во внимание и нестабильность растворов химических веществ, становятся ясными, сложности с которыми сталкиваются исследователи при калибровке дихрографов КД и поисках эталонных веществ.Note that the use of reference substances has a number of significant drawbacks. First of all, this is the instability of a given signal value in time and under the influence of various factors (temperature, pressure, humidity, etc.). Secondly, each reference substance is characterized by a limited number of CD peaks and there are no substances with a sufficient number of peaks in a wide spectral range, which leads to the need to have a set of reference substances with characteristic features at different wavelengths. In addition, the magnitude of the effect of the reference substance should be close to the magnitude of the effect of the measured substance, and this is a range of 10 -6 -10 -1 . Taking into account the instability of chemical solutions, it becomes clear the difficulties that researchers encounter when calibrating CD dichrographs and searching for reference substances.

В работе [Костюк, Г.К. Устройство для калибровки дихрогрофа в широкой области спектра / Г.К. Костюк, Е.К. Галанов, М.В. Лейкин // Оптико-механическая промышленность. - 1976. - №5. - С. 28-31.] описано оптическое устройство, задающее значение дихроизма в широком диапазоне длин волн и не требующее конкретного химического соединения. Устройство представляет собой комбинацию четвертьволновой пластинки и линейного поляризатора. Недостатком, устройства является почти 100% линейная поляризация пучка на выходе, так как при задании малых величин КД свет становится эллиптически поляризованным с большим отношением осей, что вносит искажения в результаты измерений, поскольку в общей схеме спектрометров по измерению КД находятся элементы, чувствительные к линейной поляризации. Это ограничивает возможности широкого практического использования данного устройства.In the work [Kostyuk, G.K. A device for calibrating a dichrogrof in a wide spectral region / G.K. Kostyuk, E.K. Galanov, M.V. Leikin // Optical-mechanical industry. - 1976. - No. 5. - S. 28-31.] Described an optical device that sets the value of dichroism in a wide range of wavelengths and does not require a specific chemical compound. The device is a combination of a quarter-wave plate and a linear polarizer. The disadvantage of this device is the almost 100% linear polarization of the beam at the output, since when setting small CD values, the light becomes elliptically polarized with a large axis ratio, which introduces distortions in the measurement results, since there are elements sensitive to linear in the general scheme of spectrometers for measuring CD polarization. This limits the wide practical use of this device.

В патенте [РФ №2590344, МПК G01N 21/19, G01M 11/02, опубл. 10.07.2016.], описано устройство для калибровки дихрографов, имитирующее вещество, обладающее круговым дихроизмом, с возможностью регулирования величины задаваемого эффекта в широком диапазоне значений на выбранной длине волны. Данное устройство содержит изотропную прозрачную пластину диэлектрика и фазовую пластину, толщиной d=((2m+1)λ/4)/(no-ne), где no, ne - показатели преломления обыкновенной и необыкновенной волны, m - порядок пластины, λ - длина волны. Изотропная прозрачная пластина диэлектрика имеет возможность поворота относительно оси перпендикулярной направлению распространения света и составляющей угол 45° с главными направлениями фазовой пластины. Описываемое устройство позволяет имитировать вещество, обладающее КД в широком диапазоне значений величины без использования реальных оптически активных веществ, и с полным отсутствием линейной поляризации света на выходе из устройства. К недостаткам данного устройства можно отнести, во-первых, квадратичную зависимость полученного сигнала КД от угла поворота изотропной пластины, а во-вторых, смещение хода луча от оптической оси вследствие законов преломления при прохождении света через наклонную пластину диэлектрика, что крайне нежелательно в любой оптической схеме.In the patent [RF No. 2590344, IPC G01N 21/19, G01M 11/02, publ. 07/10/2016.], A device for calibrating dichrographs, which imitates a substance with circular dichroism, with the ability to control the magnitude of the specified effect in a wide range of values at a selected wavelength, is described. This device contains an isotropic transparent dielectric plate and a phase plate, thickness d = ((2m + 1) λ / 4) / (n o -n e ), where n o , n e are the refractive indices of an ordinary and extraordinary wave, m is the order plates, λ is the wavelength. An isotropic transparent dielectric plate has the ability to rotate about an axis perpendicular to the direction of light propagation and making an angle of 45 ° with the main directions of the phase plate. The described device allows you to simulate a substance with a CD in a wide range of values without the use of real optically active substances, and with a complete absence of linear polarization of light at the exit of the device. The disadvantages of this device include, firstly, the quadratic dependence of the obtained CD signal on the angle of rotation of the isotropic plate, and secondly, the displacement of the beam from the optical axis due to the laws of refraction when light passes through the inclined dielectric plate, which is extremely undesirable in any optical scheme.

Описанные выше сложности использования эталонных веществ, и оптических устройств, изменяющих состояние или вызывающие смещение светового луча, делают необходимым создание устройств для калибровки дихрографов КД, задающих точно стабильную по времени необходимую величину сигнала КД, без обозначенных недостатков.The difficulties described above for the use of reference substances and optical devices that change state or cause a shift in the light beam make it necessary to create devices for calibrating CD dichrographs that specify the exact value of the CD signal with a precisely time-stable, without the indicated drawbacks.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому устройству является оптическое устройство для калибровки дихрографов кругового дихроизма, патент [РФ №2629660, МПК G01N 21/01, опубл. 30.08.2017.].The closest in technical solution to the proposed device is an optical device for calibrating dichrographs of circular dichroism, patent [RF No. 2629660, IPC G01N 21/01, publ. 08/30/2017.].

Устройство содержит фазовую пластину, обеспечивающую разность хода между обыкновенным и необыкновенным лучами, кратную λ/4, и изотропную прозрачную пластину диэлектрика с фиксированным углом наклона относительно направления распространения света и возможностью вращения относительно этого направления. Частичная линейная поляризация света, полученная прохождением света через изотропную пластину диэлектрика, преобразуется в частичную круговую поляризацию, при прохождении фазовой пластины, что тождественно прохождению света через оптически активное вещество с КД. Зависимость величины КД от угла вращения изотропной пластины диэлектрика в рабочей области значений имеет линейный характер. В данном устройстве при прохождении луча через изотропную прозрачную пластину диэлектрика с фиксированным углом наклона относительно направления распространения света, вследствие закона СнеллиусаThe device contains a phase plate providing a travel difference between ordinary and extraordinary rays, a multiple of λ / 4, and an isotropic transparent dielectric plate with a fixed angle of inclination relative to the direction of light propagation and the possibility of rotation relative to this direction. The partial linear polarization of light obtained by the passage of light through an isotropic dielectric plate is converted to a partial circular polarization when a phase plate passes, which is identical to the passage of light through an optically active substance with CD. The dependence of the KD value on the rotation angle of the isotropic dielectric plate in the working range of values is linear. In this device, when a beam passes through an isotropic transparent dielectric plate with a fixed angle of inclination relative to the direction of light propagation, due to Snell's law

Figure 00000001
Figure 00000001

где α - угол падения, β - угол отражения, n1 и n2 - показатели преломления среды из которой падает луч на границу раздела и в которую попадает, соответственно, происходит отклонение луча (Δх) от оптической оси (фиг. 1). Зная показатель преломления и толщину пластины диэлектрика, из простых геометрических соображений можно оценить отклонение луча по следующей формуле:where α is the angle of incidence, β is the angle of reflection, n 1 and n 2 are the refractive indices of the medium from which the beam falls on the interface and into which, accordingly, the beam deviates (Δx) from the optical axis (Fig. 1). Knowing the refractive index and the thickness of the dielectric plate, from simple geometric considerations, we can estimate the deflection of the beam by the following formula:

Figure 00000002
Figure 00000002

где h - ширина наклонной пластины, а угол β согласно формуле (1) будет равен

Figure 00000003
. Так, в случае использования изотропной прозрачной пластины из плавленого кварца, для которой на длине волны λ=550 нм, показатель преломления n=1.46, при фиксированном угле наклона относительно оптической оси, равном углу Брюстера, α=αБ=55.6°, и толщине h=1 мм, рассчитанный угол β равен 34.41°, а отклонение составляет 0.44 мм. Таким образом, при вращении пластины, центр светового луча будет описывать окружность радиусом, равным отклонению, вокруг оптической оси, (фиг. 2). Описанное смещение луча от оптической оси крайне нежелательно в любой оптической схеме, особенно если размеры поперечного сечения луча сопоставимы с размерами рабочих элементов других устройств, располагающихся на оптической оси, например, щелью монохроматора.where h is the width of the inclined plate, and the angle β according to formula (1) will be equal to
Figure 00000003
. So, in the case of using an isotropic transparent fused silica plate, for which at a wavelength of λ = 550 nm, the refractive index is n = 1.46, with a fixed angle of inclination relative to the optical axis equal to the Brewster angle, α = α B = 55.6 °, and the thickness h = 1 mm, the calculated angle β is 34.41 °, and the deviation is 0.44 mm. Thus, when the plate rotates, the center of the light beam will describe a circle with a radius equal to the deviation around the optical axis (Fig. 2). The described beam displacement from the optical axis is extremely undesirable in any optical scheme, especially if the dimensions of the beam cross section are comparable with the sizes of the working elements of other devices located on the optical axis, for example, a slit of a monochromator.

Недостатком прототипа является отклонение светового луча от оптической оси в результате прохождения наклонной изотропной пластины диэлектрика, приводящее к смещению светового луча от оптической оси. Для устранения этого недостатка мы предлагаем новое устройство.The disadvantage of the prototype is the deviation of the light beam from the optical axis as a result of the passage of the inclined isotropic dielectric plate, leading to the displacement of the light beam from the optical axis. To eliminate this drawback, we offer a new device.

Техническим результатом изобретения является создание устройства для калибровки дихрографов кругового дихроизма, сохраняющее юстировку системы строго по оптической оси в процессе калибровки.The technical result of the invention is to provide a device for calibrating dichrographs of circular dichroism, preserving the alignment of the system strictly along the optical axis during the calibration process.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для калибровки дихрографов кругового дихроизма, содержащем линейный поляризатор, фазовую пластину, обеспечивающую разность хода между обыкновенным и необыкновенным лучами (2m+1)⋅λ/4), новым является то, что в качестве поляризатора используются две изотропные прозрачные пластины диэлектрика равных толщин с равными фиксированными углами наклона α и -α относительно оптической оси и с возможностью их согласованного вращения относительно этой оси.The technical result is achieved by the fact that in the device for calibrating circular dichroism dichrographs containing a linear polarizer, a phase plate providing a path difference between the ordinary and extraordinary rays (2m + 1) ⋅λ / 4), the new fact is that two polarizers are used isotropic transparent dielectric plates of equal thicknesses with equal fixed angles of inclination α and -α relative to the optical axis and with the possibility of their consistent rotation about this axis.

Отличия заявляемого устройства от прототипа заключаются в том, что в заявляемом изобретении в качестве линейного поляризатора используется сочетание двух изотропных прозрачных пластин диэлектрика равных толщин с равными фиксированными углами наклона α и -α относительно оптической оси и с возможностью их согласованного вращения относительно этой оси.The differences between the claimed device and the prototype are that in the claimed invention, as a linear polarizer, a combination of two isotropic transparent dielectric plates of equal thickness with equal fixed angles of inclination α and -α relative to the optical axis and with the possibility of their consistent rotation about this axis is used.

Перечисленные выше признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».The above signs allow us to conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "novelty."

При изучении других известных технических решений в данной области техники, признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не выявлены и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».When studying other well-known technical solutions in this technical field, the features that distinguish the claimed invention from the prototype are not identified and therefore they provide the claimed technical solution with the criterion of "inventive step".

На фиг. 1 приведена схема прохождения светового луча в прототипе через изотропную пластину диэлектрика, расположенную под углом к направлению распространения света. На фиг. 2 приведен сдвиг поперечного профиля интенсивности световой волны (например, Гауссово распределение) относительно оптической оси. На фиг. 3 приведена схема устройства для задания кругового дихроизма, в котором сохраняется соосность светового луча и оптической оси в процессе калибровки дихрографа. На фиг. 4 представлена зависимость коэффициентов отражения s- и р-волн от угла падения для кварцевого стекла для λ=550 нм.In FIG. 1 shows a diagram of the passage of a light beam in a prototype through an isotropic dielectric plate located at an angle to the direction of light propagation. In FIG. Figure 2 shows the shift of the transverse profile of the intensity of the light wave (for example, a Gaussian distribution) relative to the optical axis. In FIG. Figure 3 shows a diagram of a device for setting circular dichroism, in which the alignment of the light beam and the optical axis is maintained during the calibration of the dichrograph. In FIG. Figure 4 shows the dependence of the reflection coefficients of s and p waves on the angle of incidence for silica glass for λ = 550 nm.

Устройство (фиг. 3) содержит пару изотропных прозрачных пластин диэлектрика (1) и (2) равных толщин с равными фиксированными углами наклона относительно оптической оси и фазовую пластину (3), вырезанную из одноосного кристалла параллельно его оптической оси, для которой выполняется условие (no-ne)d=(2m+1)λ/4, где m-любое целое число либо ноль, no и ne показатели преломления лучей электрические колебания которых происходят вдоль оптической оси кристалла (обыкновенный луч) и перпендикулярно к оси (необыкновенный луч), d - толщина пластины. Оптические оси лежат в плоскости фазовой пластины, перпендикулярно к направлению распространения света, с нулевым азимутом. Прохождение фазовой пластины вносит разность фаз для двух линейных поляризаций. Первая на пути луча изотропная прозрачная пластина диэлектрика расположена под фиксированным углом (угол α) относительно направления распространения света, вторая на пути луча изотропная прозрачная пластина диэлектрика, точно такой же толщины, как и первая, расположена под фиксированным углом (угол -α) относительно направления распространения света, и эта пара пластин, имеет возможность вращения относительно оптической оси (угол ϕ). Одинаковый фиксированный угол наклона, равная толщина изотропных пластин и одновременный их поворот обеспечивает сохранение хода светового луча строго по оптической оси на выходе из устройства, при этом обеспечивая определенную частичную линейную поляризацию проходящего луча. После наклонных пластин, уже частично линейно поляризованный свет попадает на фазовую пластину, и если угол поворота пластин ϕ=0°, то угол между плоскостью линейной поляризации света и главными направлениями фазовой пластины составляет 0° и 90°. Линейно поляризованная компонента света, в таком случае, пройдет через фазовую пластину без изменения и на выходе получится точно такой же частично линейно поляризованный свет. Если угол ϕ будет отличен от нуля, то линейно поляризованная компонента света, попадающего на фазовую пластину, будет иметь проекцию на две оптические оси кристалла фазовой пластины, что обеспечит на выходе из нее дополнительную разность фаз линейных поляризаций и соответственно, эллиптичность рассматриваемой компоненты. Таким образом, частичная линейная поляризация света, полученная прохождением света через систему двух согласованных наклонных изотропных пластин диэлектрика, будет преобразована в частичную круговую поляризацию на выходе из устройства, что тождественно прохождению света через оптически активное вещество с КД, при этом в предлагаемой схеме будет отсутствовать смещение, выходящего луча относительно падающего.The device (Fig. 3) contains a pair of isotropic transparent dielectric plates (1) and (2) of equal thickness with equal fixed angles of inclination relative to the optical axis and a phase plate (3) cut from a uniaxial crystal parallel to its optical axis, for which the condition ( n o -n e ) d = (2m + 1) λ / 4, where m is any integer or zero, n o and n e are the refractive indices of the rays whose electrical vibrations occur along the optical axis of the crystal (ordinary beam) and perpendicular to the axis (extraordinary ray), d - plate thickness. The optical axes lie in the plane of the phase plate, perpendicular to the direction of light propagation, with zero azimuth. The passage of the phase plate introduces a phase difference for two linear polarizations. The first isotropic transparent dielectric plate in the path of the beam is located at a fixed angle (angle α) relative to the direction of light propagation, the second isotropic transparent dielectric plate in the path of the beam is located at a fixed angle (angle -α) relative to the direction light propagation, and this pair of plates, has the ability to rotate about the optical axis (angle ϕ). The same fixed angle of inclination, equal thickness of isotropic plates and their simultaneous rotation ensures that the light beam travels strictly along the optical axis at the output of the device, while providing a certain partial linear polarization of the transmitted beam. After inclined plates, already partially linearly polarized light enters the phase plate, and if the rotation angle of the plates is ϕ = 0 °, then the angle between the plane of linear polarization of light and the main directions of the phase plate is 0 ° and 90 °. The linearly polarized component of light, in this case, will pass through the phase plate without change and the output will receive exactly the same partially linearly polarized light. If the angle ϕ is nonzero, then the linearly polarized component of the light incident on the phase plate will have a projection onto the two optical axes of the crystal of the phase plate, which will provide an additional phase difference of linear polarizations and, accordingly, the ellipticity of the considered component at the exit from it. Thus, the partial linear polarization of light obtained by the passage of light through a system of two matched inclined isotropic dielectric plates will be converted into partial circular polarization at the output of the device, which is identical to the passage of light through an optically active substance with CD, while the proposed scheme will not have a bias output beam relative to the incident.

Устройство работает следующим образом:The device operates as follows:

Естественный (неполяризованный) свет можно представить как сумму двух линейно поляризованных волн равной интенсивности, в которых колебания происходят, соответственно, параллельно (р-поляризация) и перпендикулярно плоскости падения (s-поляризация) света. Плоскость падения это плоскость содержащая пучок и нормаль к поверхности. При нормальном падении монохроматического света на диэлектрик свет остается неполяризованным. При наклонном падении света на изотропную прозрачную пластину диэлектрика, в отраженном луче уменьшается интенсивность р-волны, а в проходящем s-волны, что приводит к частичной линейной поляризации проходящей и отраженной волн.Natural (non-polarized) light can be represented as the sum of two linearly polarized waves of equal intensity, in which the oscillations occur, respectively, in parallel (p-polarization) and perpendicular to the plane of incidence (s-polarization) of light. The plane of incidence is the plane containing the beam and normal to the surface. With normal incidence of monochromatic light on a dielectric, the light remains unpolarized. With oblique incidence of light on an isotropic transparent dielectric plate, the intensity of the p-wave decreases in the reflected beam, and in the transmitted s-wave, which leads to a partial linear polarization of the transmitted and reflected waves.

Степень линейной поляризации АК проходящего луча зависит от угла падения света на изотропную пластину и ее показателя преломления, и определяется с помощью формул Френеля [Лансберг, Г.С. Оптика / Г.С. Лансберг. - Москва: Из-во Наука, 1976. -928 с.]The degree of linear polarization of the AK of the transmitted beam depends on the angle of incidence of light on the isotropic plate and its refractive index, and is determined using Fresnel formulas [Lansberg, G.S. Optics / G.S. Lansberg. - Moscow: From Science, 1976. -928 p.]

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

Figure 00000006
Figure 00000006

где rS - коэффициент отражения s-волны; rp - коэффициент отражения р-волны; α - угол падения световой волны, в нашем случае это угол наклона изотропной стеклянной пластины; n - показатель преломления; ΔК - степень поляризации проходящего луча. При угле падения Брюстера, так называемом угле полной поляризации:

Figure 00000007
коэффициент rp будет равен нулю и, соответственно, степень поляризации преломленного и отраженного лучей будет максимальна (фиг. 4). Это условие выполняется когда (α+β)=π/2.where r S is the reflection coefficient of the s-wave; r p is the reflection coefficient of the p-wave; α is the angle of incidence of the light wave, in our case it is the angle of inclination of an isotropic glass plate; n is the refractive index; ΔK is the degree of polarization of the transmitted beam. At the angle of incidence of Brewster, the so-called angle of total polarization:
Figure 00000007
the coefficient r p will be zero and, accordingly, the degree of polarization of the refracted and reflected rays will be maximum (Fig. 4). This condition is satisfied when (α + β) = π / 2.

При прохождении светом первой наклонной изотропной прозрачной пластины диэлектрика произойдет смещение луча относительно оптической оси, вследствие закона Снеллиуса, рассчитать которое можно используя формулы (1) и (2).When light passes through the first inclined isotropic transparent dielectric plate, the beam shifts relative to the optical axis due to Snell's law, which can be calculated using formulas (1) and (2).

Далее, попадая на вторую пластину одинаковой толщины с первой, располагающуюся к оптической оси под углом (-α), опять же вследствие закона Снеллиуса, луч света испытает преломление, и произойдет точно такое же смещение луча в обратную сторону, в результате чего луч света вернется на оптическую ось (фиг. 3). Таким образом, использование в качестве поляризатора пары изотропных прозрачных пластин диэлектрика равных толщин с равными фиксированными углами наклона относительно оптической оси, сохраняет ход светового луча строго по оптической оси в процессе калибровки дихрографа. Поскольку свет, при прохождении такого поляризатора пересечет четыре наклонные грани изотропных прозрачных пластин, то степень линейной поляризации света прошедшего света следует рассчитывать по формулеThen, falling on the second plate of the same thickness as the first one, located at an angle (-α) to the optical axis, again due to Snell's law, the light beam will be refracted and the beam will shift in exactly the opposite direction, as a result of which the light beam will return on the optical axis (Fig. 3). Thus, the use of a pair of isotropic transparent dielectric plates of equal thicknesses with equal fixed angles of inclination relative to the optical axis as a polarizer preserves the path of the light beam strictly along the optical axis during the calibration of the dichrograph. Since light, when passing through such a polarizer, crosses four inclined faces of isotropic transparent plates, the degree of linear polarization of the transmitted light should be calculated by the formula

Figure 00000008
Figure 00000008

После прохождения света через согласованную пару прозрачных изотропных пластин диэлектрика, частично линейно поляризованный свет попадает на фазовую пластину. При угле 0<ϕ<90 произойдет расщепление света на две компоненты, электрические колебания которых происходят вдоль оптической оси кристалла (обыкновенный луч) и перпендикулярно к оси (необыкновенный луч), и появится разность хода, определяемая для четверть волновой пластины соотношением (no-ne)d=(2m+1)λ/4, где m-любое целое число либо ноль, no и ne показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей. При прохождении частично линейно поляризованного света через фазовую пластину неполяризованная компонента луча не изменится, а линейно поляризованная компонента преобразуется в эллиптическую. Меняя угол ϕ от нуля до ϕ=45° возможно задавать величину эллиптичности (или КД) от нуля (при ϕ=0°) до некоторого максимума (при ϕ=45°), определяемого показателем преломления и углом наклона пластины диэлектрика (при угле α=αБ получается максимально возможное значение).After light passes through a matched pair of transparent isotropic dielectric plates, partially linearly polarized light enters the phase plate. At an angle 0 <ϕ <90, the light splits into two components, the electric vibrations of which occur along the optical axis of the crystal (ordinary beam) and perpendicular to the axis (extraordinary beam), and a travel difference appears, defined for the quarter wave plate by the ratio (n o - n e ) d = (2m + 1) λ / 4, where m is any integer or zero, n o and n e are the refractive indices of the ordinary and extraordinary rays. When partially linearly polarized light passes through the phase plate, the non-polarized component of the beam will not change, and the linearly polarized component will be converted to elliptical. By changing the angle ϕ from zero to ϕ = 45 °, it is possible to set the ellipticity (or CD) from zero (at ϕ = 0 °) to a certain maximum (at ϕ = 45 °) determined by the refractive index and the angle of inclination of the dielectric plate (at angle α = α B , the maximum possible value is obtained).

Таким образом, в результате прохождения света через устройство получается сигнал, идентичный сигналу после прохождения света через оптически активное вещество с КД, при этом согласованное расположение и вращение двух пластин изотропного диэлектрика одинаковой толщины сохраняет ход светового луча строго по оптической оси в процессе калибровки дихрографа.Thus, as a result of the passage of light through the device, a signal is obtained that is identical to the signal after the light passes through an optically active substance with a CD, while the coordinated arrangement and rotation of two plates of an isotropic dielectric of the same thickness preserves the light beam strictly along the optical axis during the calibration of the dichrograph.

Для подтверждения идентичности круговой поляризации света, создаваемой предлагаемым устройством, и круговой поляризацией, возникающей в реальной оптически активной среде, проведем описание поведения света с помощью матриц Мюллера [Шерклифф, У. Поляризованный свет / У. Шерклифф. // - Москва: Изд-во Мир пер. с англ., 1965. - 264 с.].To confirm the identity of the circular polarization of light created by the proposed device, and circular polarization arising in a real optically active medium, we will describe the behavior of light using Mueller matrices [Sherkliff, U. Polarized light / U. Sherkliff. // - Moscow: Publishing house Mir per. from English., 1965. - 264 p.].

Световому потоку любой поляризации в матричном представлении Мюллера можно сопоставить единственный столбец-вектор Стокса:In the Müller matrix representation, a luminous flux of any polarization can be associated with a single Stokes vector column:

Figure 00000009
Figure 00000009

четыре параметра, которого соответствует усредненной по времени интенсивности. Первый параметр I называется интенсивностью. Параметры М, С и S называются, соответственно, параметрами преимущественной горизонтальной поляризации, преимущественной поляризации под углом 45° и преимущественной правоциркулярной поляризации. Отрицательная величина параметра соответствует преимущественной ортогональной форме поляризации.four parameters, which corresponds to a time-averaged intensity. The first parameter I is called the intensity. The parameters M, C and S are called, respectively, the parameters of the predominant horizontal polarization, the preferential polarization at an angle of 45 ° and the predominant right-circular polarization. A negative value of the parameter corresponds to the predominant orthogonal form of polarization.

Выражения, описывающие любое оптическое устройство (поляризатор, фазовую пластинку и т.д.), является матрицей Мюллера размерности 4×4. Конкретные матрицы характеризуют не только само устройство, но и его ориентацию (азимут). Для получения вектора Стокса, характеризующего световой поток, прошедший совокупность устройств, необходимо перемножить соответствующие матрицы по обычным правилам матричной алгебры с соблюдением следующих условий: вектор, представляющий падающий свет, записывается справа, а матрицы, соответствующие различным устройствам, располагаются последовательно справа налево.The expressions describing any optical device (polarizer, phase plate, etc.) are a 4 × 4 Mueller matrix. Concrete matrices characterize not only the device itself, but also its orientation (azimuth). To obtain the Stokes vector characterizing the luminous flux that has passed through a set of devices, it is necessary to multiply the corresponding matrices according to the usual rules of matrix algebra with the following conditions: the vector representing the incident light is written from the right, and the matrices corresponding to various devices are arranged sequentially from right to left.

Запишем матрицы Мюллера, описывающие прохождение естественного света через вещество с КД и прохождение света через предлагаемое устройство, состоящее из наклонной изотропной прозрачной пластины диэлектрика с произвольным азимутом и фазовой четверть волновой пластины с нулевым азимутом.We write the Muller matrices describing the passage of natural light through a substance with CD and the passage of light through the proposed device, consisting of an inclined isotropic transparent dielectric plate with an arbitrary azimuth and a phase quarter of a wave plate with zero azimuth.

Случай 1. Естественный свет, проходит через вещество с КДCase 1. Natural light passes through a substance with CD

Figure 00000010
Figure 00000010

где

Figure 00000011
- коэффициенты пропускания+, и - круговых волн.Where
Figure 00000011
- transmittance +, and - circular waves.

I - Вектор Стокса падающего неполяризованного света единичной интенсивностиI - Stokes vector of incident unpolarized light of unit intensity

II - Вещество с круговым дихроизмом (понятие азимута не имеет смысла)II - A substance with circular dichroism (the concept of azimuth does not make sense)

III - Результат прохождения света через вещество с КДIII - The result of the passage of light through a substance with CD

Случай 2. Естественный свет проходит через наклонную изотропную пластинку с произвольным азимутом вращения (матрицы VI, V, IV) и далее через фазовую четверть волновую пластину с нулевым азимутом (матрица VII)Case 2. Natural light passes through an inclined isotropic plate with an arbitrary azimuth of rotation (matrices VI, V, IV) and then through the phase quarter wave plate with zero azimuth (matrix VII)

Figure 00000012
Figure 00000012

где

Figure 00000013
- коэффициенты пропускания+, и - круговых волн, n=cos2ϕ, m=sin2ϕ, ϕ - угол вращения однородных пластин диэлектрика.Where
Figure 00000013
are the transmission coefficients of +, and - of circular waves, n = cos2ϕ, m = sin2ϕ, ϕ is the rotation angle of homogeneous dielectric plates.

IV - Матрица прямого поворота с произвольным азимутомIV - Forward rotation matrix with arbitrary azimuth

V - Наклонная изотропная пластина с азимутом 0° относительно горизонта (устройство с линейным дихроизмом)V - Inclined isotropic plate with an azimuth of 0 ° relative to the horizon (device with linear dichroism)

VI - Матрица обратного поворота с произвольным азимутомVI - The matrix of the reverse rotation with an arbitrary azimuth

VII - Фазовая пластинка, создающую разность хода между обыкновенным и необыкновенным лучами в четверть длины волны (азимут=0°)VII - Phase plate, creating a path difference between the ordinary and extraordinary rays in a quarter of the wavelength (azimuth = 0 °)

VIII - Результат прохождения света через описываемое устройство.VIII - The result of the passage of light through the described device.

Ниже приведено последовательное перемножение матриц, описывающих предлагаемое устройство.The following is a sequential multiplication of matrices describing the proposed device.

Figure 00000014
Figure 00000014

Сравнив результаты, полученные после прохождения света через вещество с КД и после прохождения света через предлагаемое устройство можно утверждать, что элементы, отвечающие за интенсивность и круговую поляризацию волны в обоих случаях идентичны. Сопоставление элементов матрицы, отвечающих за круговую поляризацию, показывает, что Δ=mb, а так как m=sin2ϕ, а b=К+ - K_то элемент Δ зависит от синуса угла вращения пластины диэлектрика.Comparing the results obtained after the passage of light through a substance with CD and after the passage of light through the proposed device, it can be argued that the elements responsible for the intensity and circular polarization of the wave in both cases are identical. A comparison of the matrix elements responsible for circular polarization shows that Δ = mb, and since m = sin2ϕ, and b = K + - K_, this Δ element depends on the sine of the rotation angle of the dielectric plate.

Figure 00000015
Figure 00000015

По определению круговой дихроизм это

Figure 00000016
значит зависимость величины КД, получаемой прохождением света через предлагаемое устройство, будет описываться формулой синуса угла поворота изотропных пластин.By definition, circular dichroism is
Figure 00000016
means the dependence of the magnitude of the CD obtained by the passage of light through the proposed device will be described by the formula for the sine of the angle of rotation of the isotropic plates.

В качестве наклонной изотропной прозрачной пластины берем пластину из плавленого кварца, у которой для длины волны λ=550 нм показатель преломления равен n=1.46. При угле наклона пластины, равном углу Брюстера (для плавленого кварца (αБ=55.6°), коэффициент rp будет равен нулю и, соответственно, степень линейной поляризации проходящего луча, рассчитанная по формуле (3) достигнет максимума и будет равна ≈7%, а после прохождения четырех граней двух изотропных пластин (формула (6)) ≈ 25%. Использование двух пластин равных толщин с равным фиксированным углом наклона не только сохраняет соосность светового луча и оптической оси, но и позволяет увеличить диапазон задаваемых величин дихроизма. Так, при фиксированном угле наклона пластин плавленого кварца равном углу Брюстера, вращая согласованную пару пластин относительно оптической оси (изменяя угол ϕ) можно задавать величину "псевдодихроизма" в пределах от 0 до 0.25.As an inclined isotropic transparent plate, we take a fused silica plate, for which the refractive index for the wavelength λ = 550 nm is n = 1.46. When the angle of inclination of the plate equal to the Brewster angle (for fused silica (α B = 55.6 °), the coefficient r p will be zero and, accordingly, the degree of linear polarization of the transmitted beam calculated by formula (3) will reach a maximum and will be equal to ≈7% and after passing through four faces of two isotropic plates (formula (6)) ≈ 25%. The use of two plates of equal thickness with an equal fixed angle of inclination not only preserves the alignment of the light beam and the optical axis, but also allows you to increase the range of the set values of dichroism. when fixed Given the angle of inclination of the fused silica plates equal to the Brewster angle, by rotating a matched pair of plates relative to the optical axis (by changing the angle ϕ), the value of “pseudodichroism” can be set in the range from 0 to 0.25.

Для длины волны λ=550 нм минимальная толщина фазовой пластины, выполненной из кристаллического кварца будет равна 15.3 мкм (так как no=1.545 ne=1.554 и (no-ne)d=((2m+1)λ/4). Рабочая область углов вращенияϕ, определяется из формулы (7). Реальные значения КД большинства веществ находятся в диапазоне Δ≤10-3. Учитывая, что значение угла наклона пластин зафиксировано на угле Брюстера, значение b=0.25. Соответственно,For a wavelength of λ = 550 nm, the minimum thickness of a phase plate made of crystalline quartz will be 15.3 μm (since n o = 1.545 n e = 1.554 and (n o -n e ) d = ((2m + 1) λ / 4 ). The working region of the rotation angles φ is determined from formula (7). The actual values of the CD of most substances are in the range Δ≤10 -3 . Given that the value of the angle of inclination of the plates is fixed at the Brewster angle, the value is b = 0.25. Accordingly,

Figure 00000017
Figure 00000017

2ϕ≤0.22922ϕ≤0.2292

ϕ≤0.114рад. (6.57°).ϕ≤0.114rad. (6.57 °).

Рабочая область углов вращения согласованной пары изотропных не превышает 0.114 рад (~ 6.5°). Отличие от линейности в данном диапазоне углов не превышает 1%.The working region of the angles of rotation of a matched pair of isotropic does not exceed 0.114 rad (~ 6.5 °). The difference from linearity in this range of angles does not exceed 1%.

Claims (1)

Устройство для калибровки дихрографов кругового дихроизма, содержащее линейный поляризатор, фазовую пластину, обеспечивающую разность хода между обыкновенным и необыкновенным лучами (2m+1)⋅λ/4), отличающееся тем, что в качестве поляризатора используются две изотропные прозрачные пластины диэлектрика равных толщин с равными фиксированными углами наклона α и -α относительно оптической оси и с возможностью их согласованного вращения относительно этой оси.A device for calibrating circular dichroism dichrographs containing a linear polarizer, a phase plate providing a path difference between ordinary and extraordinary rays (2m + 1) ⋅λ / 4), characterized in that two isotropic transparent dielectric plates of equal thickness with equal thicknesses are used fixed angles of inclination α and -α relative to the optical axis and with the possibility of their consistent rotation about this axis.
RU2017146526A 2017-12-27 2017-12-27 Circular dichroism dichrographs calibration device RU2682605C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017146526A RU2682605C1 (en) 2017-12-27 2017-12-27 Circular dichroism dichrographs calibration device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017146526A RU2682605C1 (en) 2017-12-27 2017-12-27 Circular dichroism dichrographs calibration device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2682605C1 true RU2682605C1 (en) 2019-03-19

Family

ID=65806158

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017146526A RU2682605C1 (en) 2017-12-27 2017-12-27 Circular dichroism dichrographs calibration device

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2682605C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2801066C1 (en) * 2022-12-30 2023-08-01 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" Device for calibrating circular dichroism dichrographs

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4003663A (en) * 1971-02-26 1977-01-18 Yeda Research & Development Co., Ltd. Device for calibrating instrument that measures circular dichroism or circularly polarized luminescence
SU553567A1 (en) * 1975-12-29 1977-04-05 Предприятие П/Я Х-5827 Polarizer
RU2006800C1 (en) * 1991-04-22 1994-01-30 Хабаровский государственный технический университет Device for control over polarization of radiation
WO2016057464A1 (en) * 2014-10-06 2016-04-14 Applied Photophysics, Inc. Calibration device and uses thereof
RU2590344C1 (en) * 2015-04-30 2016-07-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук Device for calibrating dichrograph of circular dichroism

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4003663A (en) * 1971-02-26 1977-01-18 Yeda Research & Development Co., Ltd. Device for calibrating instrument that measures circular dichroism or circularly polarized luminescence
SU553567A1 (en) * 1975-12-29 1977-04-05 Предприятие П/Я Х-5827 Polarizer
RU2006800C1 (en) * 1991-04-22 1994-01-30 Хабаровский государственный технический университет Device for control over polarization of radiation
WO2016057464A1 (en) * 2014-10-06 2016-04-14 Applied Photophysics, Inc. Calibration device and uses thereof
RU2590344C1 (en) * 2015-04-30 2016-07-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук Device for calibrating dichrograph of circular dichroism

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2801066C1 (en) * 2022-12-30 2023-08-01 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" Device for calibrating circular dichroism dichrographs
RU2819107C1 (en) * 2023-10-16 2024-05-14 Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Самарский Национальный Исследовательский Университет Имени Академика С.П. Королева" (Самарский Университет) Monoblock converter of light beam with circular polarization into beam with azimuthal polarization

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1707929B1 (en) Spectroscopic polarimetry
US6738138B2 (en) Small spot ellipsometer
US6353477B1 (en) Regression calibrated spectroscopic rotating compensator ellipsometer system with pseudo-achromatic retarder system
CN102933944B (en) System and method for polarization measurement
KR101460802B1 (en) Method and apparatus for measuring phase difference
US9857292B2 (en) Broadband and wide field angle compensator
US20060170921A1 (en) Spectroscopic polarimetry
US6181421B1 (en) Ellipsometer and polarimeter with zero-order plate compensator
Bian et al. Mueller matrix ellipsometer based on discrete-angle rotating Fresnel rhomb compensators
RU2590344C1 (en) Device for calibrating dichrograph of circular dichroism
Chenault et al. Infrared spectropolarimetry
RU2682605C1 (en) Circular dichroism dichrographs calibration device
RU2801066C1 (en) Device for calibrating circular dichroism dichrographs
RU2629660C1 (en) Device for calibrating circular dichroism digrographs
JP5041508B2 (en) Optical characteristic measuring apparatus and method
US3941482A (en) Method of testing alkali halide crystals with anisotropic centers
EP0144115A2 (en) An ellipsometer
US6373569B1 (en) Method and device for the spectral analysis of light
Xiao et al. Field-of-view characteristics of a liquid crystal variable retarder
Sanaâ et al. Linear retardance and diattenuation dispersion measurements of anisotropic medium with Jones calculus based spectrometric technique
TWI780700B (en) Euv spectroscopic polarimeter
Nagib Problems in Polarization Metrology
US20240011894A1 (en) Mueller matrix ellipsometer
SU1749784A1 (en) Method of measuring optical anisotropic parameters of crystals
US20230048604A1 (en) Reflective polarized light separation and diffraction element and optical measurement device comprising same