RU2801066C1 - Device for calibrating circular dichroism dichrographs - Google Patents

Device for calibrating circular dichroism dichrographs Download PDF

Info

Publication number
RU2801066C1
RU2801066C1 RU2022135312A RU2022135312A RU2801066C1 RU 2801066 C1 RU2801066 C1 RU 2801066C1 RU 2022135312 A RU2022135312 A RU 2022135312A RU 2022135312 A RU2022135312 A RU 2022135312A RU 2801066 C1 RU2801066 C1 RU 2801066C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
light
optical axis
linear polarizer
isotropic
phase plate
Prior art date
Application number
RU2022135312A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Николаевич Заблуда
Оксана Станиславовна Иванова
Галина Сергеевна Замай
Анна Сергеевна Кичкайло
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук"
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"
Application granted granted Critical
Publication of RU2801066C1 publication Critical patent/RU2801066C1/en

Links

Abstract

FIELD: optical instrumentation.
SUBSTANCE: invention relates to a device for calibrating circular dichroism dichrographs. The device includes a partially linear polarizer consisting of a pair of isotropic dielectric plates of equal thicknesses with fixed tilt angles ofϕ and ϕ+90° relative to the optical axis and a phase plate that provides a path difference between the ordinary and extraordinary beams (2m+1)⋅λ/4. In addition, the device additionally contains a second partially linear polarizer located between the first partially linear polarizer and the phase plate, and consisting of a pair of isotropic dielectric plates of equal thicknesses with fixed tilt angles of ϕ and ϕ+90° relative to the optical axis. The first polarizer in the path of the beam has the ability to rotate about the optical axis, and the second polarizer is stationary. The fast axis of the phase plate is oriented at an angle of 45° to the plane of partial linear polarization of the light beam of the isotropic plates of the second partially linear polarizer.
EFFECT: providing a device for calibrating circular dichroism dichrographs in which there is no partial linear polarization of light introduced by the elements of the device.
1 cl, 6 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 simulating a substance having circular dichroism (CD) used for calibrating 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 и физике. 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 точной однозначной зависимости между показаниями приборов и абсолютными величинами эффектов, востребованная необходимость экспериментаторов, измеряющих КД. Circular dichroism is one of the effects of optical anisotropy, which manifests itself in the difference between the absorption coefficients of light polarized in the right and left circles. As a rule, CD spectra contain narrow, well-resolvable bands that are individual for each substance; therefore, CD measurements are used quite widely in various fields of science, especially chemistry, medicine, biophysics, and physics. 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 a few fractions of a percent of the value of the absorption coefficient in unpolarized light. Establishing an exact unambiguous relationship between instrument readings and the absolute magnitudes of effects is a highly demanded necessity for experimenters who measure CD.

Использование для калибровки дихрографов КД эталонных оптически активных веществ, величины КД, которых известны столкнулось с рядом затруднений. Во-первых, определенное вещество характеризуется ограниченным количеством пиков КД, поэтому необходимо иметь набор эталонных веществ с характерными особенностями на разных длинах волн. Во-вторых, нестабильность величины КД растворов химических веществ, обусловленная длительным хранением и влиянием различных внешних факторов (температуры, давления, влажности и т.д.). The use of reference optically active substances for the calibration of CD dichrographs, the values of which are known, has encountered a number of difficulties. First, a certain substance is characterized by a limited number of CD peaks, so it is necessary to have a set of reference substances with characteristic features at different wavelengths. Secondly, the instability of the CA value of solutions of chemical substances, due to long-term storage and the influence of various external factors (temperature, pressure, humidity, etc.).

В заявке [РФ №2013123106, МПК G01N21/00, опубл. 27.11.2014] в качестве эталонного вещества предлагается использовать полимерный гель с частицами двухцепочечных молекул нуклеиновых кислот, который при облучении циркулярно-поляризованным излучением на дискретной длине волны в УФ диапазоне спектра имеет определенную величину КД, но сохраняет эту характеристику только в течение нескольких месяцев после его изготовления. В работе [Гусев, В.М. Наноконструкции ДНК для тестирования и калибровки спектрометров кругового дихроизма / В.М. Гусев, О.Н. Компанец, М.А. Павлов, Д.П. Чулков, Ю.М. Евдокимов, С.Г. Скуридин // Наукоемкие технологии. – 2013. – №4. – С. 68-75.] рассмотрена возможность использования в качестве эталона для калибровки дихрографов КД в широком диапазоне длин волн полимерный материал на основе наноконструкций ДНК, включенных в состав полиэтиленоксидных гидрогелей, но предложенный материал сохраняет свои характеристики только в течении года.In the application [RF No. 2013123106, IPC G01N21/00, publ. November 27, 2014] as a reference substance, it is proposed to use a polymer gel with particles of double-stranded nucleic acid molecules, which, when irradiated with circularly polarized radiation at a discrete wavelength in the UV spectral range, has a certain CD value, but retains this characteristic only for several months after its manufacturing. In [Gusev, V.M. DNA nanostructures for testing and calibration of circular dichroism spectrometers / V.M. Gusev, O.N. Kompanets, M.A. Pavlov, D.P. Chulkov, Yu.M. Evdokimov, S.G. Skuridin // Science-intensive technologies. - 2013. - No. 4. – P. 68-75.] the possibility of using a polymer material based on DNA nanostructures included in polyethylene oxide hydrogels as a standard for calibrating CD dichrographs in a wide wavelength range is considered, but the proposed material retains its characteristics only for a year.

Первое конструктивное устройство (не вещество) для калибровки в широком диапазоне длин волн с возможностью регулирования величины и знака эффекта было предложено 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.]. 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 (линзы, призмы, приемник и т.д.). Это ограничивает возможности широкого практического использования данного устройства.The first constructive device (not a substance) for calibration in a wide range of wavelengths with the ability to control the magnitude and sign of the effect was proposed in [Kostyuk, G.K. A device for calibrating a dichrograph in a wide range of the spectrum / G.K. Kostyuk, E.K. Galanov, M.V. Leikin // Optical-mechanical industry. - 1976. - No. 5. - S.28-31.]. The device is a combination of a quarter-wave plate and a linear polarizer. The disadvantage of the device is almost 100% linear polarization of the beam at the output, since when small values of the CD are set, the light becomes elliptically polarized with a large ratio of axes, which introduces distortions into the measurement results, since in the general scheme of spectrometers for measuring CD there are elements that are sensitive to linear polarization (lenses, prisms, receiver, etc.). This limits the wide practical use of this device.

С тех пор было предложено ряд других устройств, имитирующих вещество, обладающее круговым дихроизмом, с возможностью регулирования величины задаваемого эффекта в широком диапазоне значений на выбранной длине волны. Предложенные устройства отличаются наличием, относительным расположением и возможностями вращения оптических элементов с целью минимизации недостатков первоначальной конструкции. Since then, a number of other devices have been proposed that simulate a substance with circular dichroism, with the ability to control the magnitude of the desired effect over a wide range of values at a selected wavelength. The proposed devices differ in the presence, relative location and rotation of optical elements in order to minimize the shortcomings of the original design.

Известно устройство для калибровки дихрографов [патент РФ №2590344, МПК G01N21/19, G01M11/02, опубл.10.07.2016], имитирующее вещество, обладающее круговым дихроизмом. Данное устройство содержит изотропную прозрачную пластину диэлектрика и фазовую пластину, толщиной d = ((2m+1)λ/4)/(n о- n e), где n о, n e – 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. К недостаткам данного устройства можно отнести, квадратичную зависимость полученного сигнала КД от угла поворота изотропной пластины, и некоторое смещение хода луча от оптической оси вследствие законов преломления, обусловленное прохождением света через наклонную пластину диэлектрика. A device for calibrating dichrographs is known [RF patent No. 2590344, IPC G01N21/19, G01M11/02, publ. 07/10/2016], simulating a substance with circular dichroism. This device contains an isotropic transparent dielectric plate and a phase plate with a thickness d = ((2m+1)λ/4)/( n o - n e ), where n o , n e are the refractive indices of the ordinary and extraordinary waves, m is the order plates, λ is the wavelength. An isotropic transparent dielectric plate can be rotated 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 disadvantages of this device include the quadratic dependence of the received CD signal on the angle of rotation of the isotropic plate, and some displacement of the beam path from the optical axis due to the laws of refraction, due to the passage of light through an inclined dielectric plate.

Известно устройство [патент РФ №2629660, МПК G01N21/01, G01N21/19, опубл. 30.08.2017], содержащее 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. При этом зависимость величины КД от угла вращения изотропной пластины диэлектрика в рабочей области значений имеет линейный характер, но остается смещение луча от оптической оси, и остается частичная линейная поляризация луча. При, вращении пластины, центр светового луча описывает окружность вокруг оптической оси, радиусом, равным отклонению, вследствие закона преломления, что 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.A device is known [RF patent No. 2629660, IPC G01N21/01, G01N21/19, publ. 08/30/2017], containing a phase plate that provides a path 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. Partial linear polarization of light obtained by passing light through an isotropic dielectric plate is converted into partial circular polarization when passing through a phase plate, which is identical to the passage of light through an optically active substance with a CD. In this case, the dependence of the CD value on the angle of rotation of the isotropic dielectric plate in the working range of values is linear, but the beam remains shifted from the optical axis, and the partial linear polarization of the beam remains. When the plate rotates, the center of the light beam describes a circle around the optical axis, with a radius equal to the deviation, due to the law of refraction, which is highly undesirable in any optical scheme, especially if the dimensions of the beam cross section are comparable to the dimensions of the working elements of other devices located on the optical axis, for example, the slit of a monochromator.

В одном из вариантов устройств, предложенных в заявке [WO2016/057464 A1, G01N21/19, G01N21/21, опубл. 14.04.2016], содержатся две изотропные пластины, расположенные под одинаковыми, но с разным знаком углов к оптической оси, и фазовая пластина, но фазовая пластина расположена на пути светового луча до изотропных пластин, и поэтому преобразует циркулярно поляризованный свет в линейно поляризованный, и в перечисленном многообразии вариантов работы такого устройства, не предусмотрено согласованного вращения указанных изотропных пластин, а присутствует возможность лишь изменения угла их наклона, относительно оптической оси и вращение фазовой пластины. Работа такого устройства в качестве калибратора возможна только в определенного типа дихрографах, где все основные элементы дихрогрофа (монохроматор, и т.д.) располагаются до образца. Данное устройство по своему принципу работы близко к уже упомянутому устройству, описанному в [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.], с общим существенным недостатком – почти 100 % линейной поляризацией светового луча на выходе из устройства. In one of the variants of the devices proposed in the application [WO2016/057464 A1, G01N21/19, G01N21/21, publ. 04/14/2016], contains two isotropic plates located at the same, but with a different sign of angles to the optical axis, and a phase plate, but the phase plate is located on the path of the light beam to the isotropic plates, and therefore converts circularly polarized light into linearly polarized, and in the listed variety of options for the operation of such a device, the coordinated rotation of these isotropic plates is not provided, but there is only the possibility of changing the angle of their inclination relative to the optical axis and rotation of the phase plate. The operation of such a device as a calibrator is possible only in a certain type of dichrograph, where all the main elements of the dichrograph (monochromator, etc.) are located before the sample. This device, according to its principle of operation, is close to the already mentioned device described in [Kostyuk, G.K. A device for calibrating a dichrograph in a wide range of the spectrum / G. K. Kostyuk, E. K. Galanov, M. V. Leikin // Optical-mechanical industry. - 1976. - No. 5. - P.28–31.], with a common significant drawback - almost 100% linear polarization of the light beam at the output of the device.

Известно устройство для калибровки дихрографов кругового дихроизма, принятое за прототип [патент РФ №2682605, МПК G01N21/01, G01N21/19, опубл. 19.03.2019], содержащее линейный поляризатор и фазовую пластину, обеспечивающую разность хода между обыкновенным и необыкновенным лучами (2m+1)λ/4, и в качестве линейного поляризатора предложено сочетание двух изотропных прозрачных пластин диэлектрика равных толщин с фиксированными углами α и –α наклона относительно оптической оси с возможностью их согласованного вращения относительно этой оси. Это устройство убрало смещение светового луча, его юстировка происходит строго по оптической оси в процессе калибровки, и зависимость величины КД в рабочей области значений имеет линейный характер, но остается частичная линейная поляризация луча на выходе из устройства. A device for calibrating circular dichroism dichrographs is known, adopted as a prototype [RF patent No. 2682605, IPC G01N21/01, G01N21/19, publ. 03/19/2019], containing a linear polarizer and a phase plate that provides a path difference between ordinary and extraordinary rays (2m+1)λ/4, and a combination of two isotropic transparent dielectric plates of equal thickness with fixed angles α and –α is proposed as a linear polarizer inclination relative to the optical axis with the possibility of their coordinated rotation relative to this axis. This device removed the shift of the light beam, its adjustment occurs strictly along the optical axis during the calibration process, and the dependence of the CD value in the working range of values is linear, but there remains a partial linear polarization of the beam at the output of the device.

Отметим, что в перечисленных выше устройствах (патенты РФ №2590344, №2629660, №2682605), минимизирована величина дихроизма, т.е. она сопоставима с величиной КД реальных веществ, и отсутствует 100% линейная поляризации светового луча после прохождения всех элементов устройств. Получаемый на выходе сигнал представляет собой практически неполяризованный свет, лишь малая доля которого имеет круговую поляризацию, что почти аналогично прохождению света через реальное дихроичное вещество.Note that in the devices listed above (RF patents No. 2590344, No. 2629660, No. 2682605), the value of dichroism is minimized, i.e. it is comparable to the CD value of real substances, and there is no 100% linear polarization of the light beam after passing through all the elements of the devices. The output signal is practically unpolarized light, only a small fraction of which is circularly polarized, which is almost analogous to the passage of light through a real dichroic substance.

Техническим результатом изобретения является создание устройства для калибровки дихрографов кругового дихроизма, являющееся аналогом дихроичного вещества, в котором отсутствует частичная линейная поляризация света, вносимая элементами устройства. The technical result of the invention is the creation of a device for calibrating circular dichroism dichrographs, which is an analogue of a dichroic substance in which there is no partial linear polarization of light introduced by the elements of the device.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для калибровки дихрографов кругового дихроизма, содержащем частично линейный поляризатор, состоящий из пары прозрачных в оптическом диапазоне изотропных пластин диэлектрика равных толщин с фиксированными углами наклона φ и φ+90° относительно оптической оси, и фазовую пластину, обеспечивающую разность хода между обыкновенным и необыкновенным лучами (2m+1)⋅λ/4, новым является то, что устройство дополнительно содержит второй частично линейный поляризатор, расположенный между первым частично линейным поляризатором и фазовой пластиной, и состоящий из пары прозрачных в оптическом диапазоне изотропных пластин диэлектрика равных толщин с фиксированными углами наклона φ и φ+90° относительно оптической оси, при этом первый на пути луча частично линейный поляризатор имеет возможность вращения относительно оптической оси, второй частично линейный поляризатор неподвижен, и быстрая ось фазовой пластины ориентирована под углом 45° к плоскости частичной линейной поляризации светового луча изотропных пластин второго частично линейного поляризатора.The technical result is achieved by the fact that in a device for calibrating circular dichroism dichrographs, containing a partially linear polarizer, consisting of a pair of isotropic dielectric plates of equal thickness transparent in the optical range with fixed tilt angles φ and φ+90° relative to the optical axis, and a phase plate that provides the path difference between the ordinary and extraordinary beams is (2m+1)⋅λ/4, what is new is that the device additionally contains a second partially linear polarizer located between the first partially linear polarizer and the phase plate, and consisting of a pair of isotropic plates transparent in the optical range dielectric of equal thicknesses with fixed tilt angles φ and φ + 90° relative to the optical axis, while the first partially linear polarizer in the path of the beam can rotate relative to the optical axis, the second partially linear polarizer is fixed, and the fast axis of the phase plate is oriented at an angle of 45° to the plane of partial linear polarization of the light beam of the isotropic plates of the second partially linear polarizer.

Отличия заявляемого устройства от прототипа заключаются в том, что устройство содержит два частично линейных поляризатора, первый на пути луча частично линейный поляризатор имеет возможность вращения относительно оптической оси, второй неподвижен, и быстрая ось фазовой пластины ориентирована под углом 45° к плоскости частичной линейной поляризации светового луча второй пары изотропных пластин. Перечисленные выше признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».The difference between the proposed device and the prototype lies in the fact that the device contains two partially linear polarizers, the first partially linear polarizer in the path of the beam can rotate about the optical axis, the second is stationary, and the fast axis of the phase plate is oriented at an angle of 45° to the plane of partial linear polarization of the light beam of the second pair of isotropic plates. The above features 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 known technical solutions in this field of technology, the features that distinguish the claimed invention from the prototype have not been identified, and therefore they provide the claimed technical solution with the criterion of "inventive step".

На фиг. 1 приведена схема устройства для калибровки, содержащая: 1 и 2 – частично линейный поляризатор, каждый из которых состоит из пары изотропных пластин диэлектрика, 3 – фазовая пластина. Расположение поляризаторов соответствует максимальной линейной поляризации луча на выходе и, соответственно, максимальной величине задаваемого КД. На фиг. 2 приведена схема устройства, расположение элементов в котором на выходе из устройства создают одинаковую поляризацию, как и в схеме на фиг. 1. На фиг. 3 приведены пространственное расположение элементов устройства, представленных на фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 4 приведена схема устройства для калибровки в котором расположение элементов соответствует нулевому дихроизму. На фиг. 5 приведено пространственное расположение элементов устройства, представленного на фиг. 4. На фиг. 6 представлена зависимость коэффициентов отражения s- и p-волн от угла падения для кварцевого стекла для λ=550 нм.In FIG. Figure 1 shows a diagram of a device for calibration, containing: 1 and 2 - a partially linear polarizer, each of which consists of a pair of isotropic dielectric plates, 3 - a phase plate. The location of the polarizers corresponds to the maximum linear polarization of the beam at the output and, accordingly, the maximum value of the specified CD. In FIG. 2 shows a diagram of the device, the arrangement of elements in which the same polarization is created at the output of the device, as in the diagram in FIG. 1. In FIG. 3 shows the spatial arrangement of the elements of the device shown in FIG. 1 and FIG. 2. In FIG. 4 shows a diagram of a device for calibration in which the arrangement of elements corresponds to zero dichroism. In FIG. 5 shows the spatial arrangement of the elements of the device shown in FIG. 4. In FIG. 6 shows the dependence of the reflection coefficients of s- and p-waves on the angle of incidence for quartz glass for λ=550 nm.

Устройство (фиг. 1) содержит два частично линейных поляризатора (1) и (2), каждый из которых состоит из пары изотропных прозрачных пластин диэлектрика равных толщин с фиксированными углами наклона относительно оптической оси φ и φ+90° и фазовую пластину (3), обеспечивающую сдвиг фазы (2m +1)λ/4, где m - любое целое число либо ноль. Оптические оси (быстрая и медленная) фазовой пластины лежат в плоскости фазовой пластины, перпендикулярно к направлению распространения света, и под углом 45° к плоскости пропускания второго частичного поляризатора. Первый частичный линейный поляризатор на пути следования светового луча имеет возможность вращения относительно оси распространения света. Расположение элементов на фиг. 1 и фиг. 2 полностью идентичны для прохождения световой волны и обеспечивают на выходе из устройства максимальную поляризацию. Расположение элементов, представленное на фиг. 3 показывает другой крайний случай, где частичная линейная поляризация второй пары компенсирует частичную поляризацию, образованную после прохождения первой пары пластин. Регулируемая величина раскомпенсации (вращение первого на пути светового луча частичного поляризатора) задаст частичную линейную поляризацию, которая после прохождения фазовой пластины, переведет ее в круговую и создаст дихроизм. The device (Fig. 1) contains two partially linear polarizers (1) and (2), each of which consists of a pair of isotropic transparent dielectric plates of equal thickness with fixed tilt angles relative to the optical axis φ and φ+90° and a phase plate (3) , providing a phase shift (2m +1)λ/4, where m is any integer or zero. The optical axes (fast and slow) of the phase plate lie in the plane of the phase plate, perpendicular to the direction of light propagation, and at an angle of 45° to the transmission plane of the second partial polarizer. The first partial linear polarizer on the path of the light beam has the ability to rotate about the axis of light propagation. The location of the elements in Fig. 1 and FIG. 2 are completely identical for the passage of a light wave and provide maximum polarization at the output of the device. The arrangement of elements shown in Fig. 3 shows another extreme case, where the partial linear polarization of the second pair compensates for the partial polarization formed after the passage of the first pair of plates. The adjustable amount of decompensation (rotation of the first partial polarizer in the path of the light beam) will set a partial linear polarization, which, after passing through the phase plate, will turn it into a circular one and create dichroism.

Таким образом, прохождение света через предлагаемое устройство тождественно прохождению света через оптически активное вещество с КД, при этом в предлагаемой схеме будет сохранена юстировка луча строго по оптической оси, и световой луч не будет дополнительно линейно поляризован, то есть сохранит исходное состояние поляризации. Thus, the passage of light through the proposed device is identical to the passage of light through an optically active substance with a CD, while in the proposed scheme the alignment of the beam strictly along the optical axis will be preserved, and the light beam will not be additionally linearly polarized, that is, it will retain its original state of polarization.

Устройство работает следующим образом: The device works 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 (unpolarized) light can be represented as the sum of two linearly polarized waves of equal intensity, in which oscillations occur, respectively, 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 the normal to the surface. When monochromatic light is normally incident 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 the intensity of the s-wave decreases in the transmitted beam, which leads to partial linear polarization of the transmitted and reflected waves.

Степень линейной поляризации ΔK 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 ΔK of the transmitted beam depends on the angle of incidence of light on an isotropic plate and its refractive index, and is determined using the Fresnel formulas [Lansberg, G.S. Optics / G.S. Lansberg. - Moscow: Iz-vo Nauka, 1976. - 928 p.]

где - коэффициент отражения s-волны; - коэффициент отражения р-волны; α - угол падения световой волны, в нашем случае это угол (90° – φ); n - показатель преломления; ΔK - степень поляризации проходящего луча. При угле падения Брюстера, так называемом угле полной поляризации: коэффициент будет равен нулю и, соответственно, степень поляризации преломленного и отраженного лучей будет максимальна (фиг. 6). Это условие выполняется, когда угол падения и угол преломления в сумме составляют π/2.Where - s-wave reflection coefficient; - p-wave reflection coefficient; α is the angle of incidence of the light wave, in our case it is the angle (90° - φ); n is the refractive index; ΔK is the degree of polarization of the transmitted beam. At Brewster's angle of incidence, the so-called angle of full polarization: coefficient will be equal to zero and, accordingly, the degree of polarization of the refracted and reflected beams will be maximum (Fig. 6). This condition is satisfied when the angle of incidence and the angle of refraction add up to 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 will shift relative to the optical axis, due to the Snell 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 (φ+90°), 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. 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 (b), прошедшего одну пару пластин, следует рассчитывать по формуле: Further, falling on the second plate of the same thickness as the first, located at an angle to the optical axis (φ + 90 °), again due to Snell's law, the light beam will experience refraction, and exactly the same beam will shift in the opposite direction, as a result of which the beam light will return to the optical axis. 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 course of the light beam strictly along the optical axis during the calibration of the dichrograph. Since the light, when passing through such a polarizer, will cross four inclined faces of isotropic transparent plates, the degree of linear polarization of light ( b ) passing through one pair of plates should be calculated by the formula:

В нашем устройстве таких пар пластин две, то есть пучок света пересечет 8 граней, и его величина будет задаваться формулой: In our device, there are two such pairs of plates, that is, a beam of light will cross 8 faces, and its value will be given by the formula:

После этого, свет падает на фазовую пластину, и, после прохождения частично линейно поляризованного света через фазовую пластину, неполяризованная компонента луча не изменится, а линейно поляризованная компонента преобразуется в круговую поляризацию. Меняя угол вращения первой пары пластин, возможно задавать величину КД от нуля (при 90° между плоскостями частичной линейной поляризации первой и второй пар пластин фиг. 4) до максимального значения (при 0° между плоскостями частичной линейной поляризации первой и второй пар пластин фиг. 1 и 2). After that, the light falls on the phase plate, and, after the passage of partially linearly polarized light through the phase plate, the unpolarized component of the beam will not change, and the linearly polarized component will be converted to circular polarization. By changing the angle of rotation of the first pair of plates, it is possible to set the CD value from zero (at 90° between the planes of partial linear polarization of the first and second pairs of plates in Fig. 4) to the maximum value (at 0° between the planes of partial linear polarization of the first and second pairs of plates in Fig. 1 and 2).

Таким образом, в результате прохождения света через устройство получается сигнал, идентичный сигналу после прохождения света через оптически активное вещество с КД, при этом отсутствует частичная линейная поляризация света, вносимая элементами устройства.Thus, as a result of the passage of light through the device, a signal is obtained that is identical to the signal after the passage of light through an optically active substance with a CD, while there is no partial linear polarization of light introduced by the elements of the device.

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 the circular polarization that occurs in a real optically active medium, we will describe the behavior of light using Muller matrices [Shercliffe, W. Polarized light / W. Shercliffe. // - Moscow: Publishing House Mir per. from English, 1965. - 264 p.].

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

, ,

четыре параметра, которого соответствует усредненной по времени интенсивности. Первый параметр I называется интенсивностью. Параметры M, C 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 the time-averaged intensity. The first parameter I is called intensity. The parameters M, C and S are called, respectively, the parameters of the predominant horizontal polarization, the predominant polarization at an angle of 45° and the predominant right-handed circular polarization. The 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 х 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.) is a 4 x 4 Muller matrix. Specific matrices characterize not only the device itself, but also its orientation (azimuth). To obtain the Stokes vector characterizing the light 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, subject to the following conditions: the vector representing the incident light is written on the right, and the matrices corresponding to different 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. Let us write the Muller matrices that describe the passage of natural light through a substance with a CD and the passage of light through the proposed device, which consists of an inclined isotropic transparent dielectric plate with an arbitrary azimuth and a phase quarter-wave plate with zero azimuth.

Случай 1. Естественный свет, проходит через вещество с КД Case 1. Natural light passing through a substance with a CD

III II I III II I

где S=, Δ=, U⋅=, , - коэффициенты пропускания +, и – круговых волн.where S = , Δ= , U ⋅= , , - transmission coefficients +, and - circular waves.

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

II- Матрица Мюллера, соответствующая веществу с круговым дихроизмом (понятие азимута для него не имеет смысла)II- Muller matrix corresponding to a substance with circular dichroism (the concept of azimuth does not make sense for it)

III- Результат прохождения света через вещество с КДIII- The result of the passage of light through a substance with a 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 rotation azimuth (matrices VI, V, IV) and then through a phase quarter-wave plate with zero azimuth (matrix VII)

VII VI V -IV V IV I VII VI V - IV V IV I

где a=, b=, c⋅=, , - коэффициенты пропускания +, и – круговых волн, n=cos2β, m=sin2β, β – угол вращения пары пластин относительно оптической оси Угол β=0 соответствует скрещенному положению плоскостей частичной поляризации пар изотропных пластин (фиг.4).where a = , b = , c⋅ = , , - transmission coefficients +, and - circular waves, n = cos2β, m =sin2β, β - angle of rotation of a pair of plates relative to the optical axis Angle β=0 corresponds to the crossed position of the planes of partial polarization of pairs of isotropic plates (Fig.4).

IV- Матрица прямого поворота с произвольным азимутомIV- Direct turn matrix with arbitrary azimuth

-IV-Матрица обратного поворота с произвольным азимутом-IV-Reverse rotation matrix with arbitrary azimuth

V- Пара наклонных изотропных пластин с азимутом 0° относительно горизонта (устройство с линейным дихроизмом) V- Pair of inclined isotropic plates with azimuth 0° relative to the horizon (linear dichroism device)

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

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

Вектор Стокса полученного результата после последовательного перемножение матриц, описывающих предлагаемое устройство (перемножение производится справа налево, в соответствии с правилами перемножения матриц). The Stokes vector of the result obtained after successive multiplication of matrices describing the proposed device (multiplication is performed from right to left, in accordance with the rules of matrix multiplication).

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. Comparing the results obtained after the passage of light through a substance with a 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 are identical in both cases.

Первый элемент вектора Стокса (). В нем она пренебрежимо мала, равна 1, при угле Брюстера. n=cos2β=1 при β=0, и тогда компонента (второй элемент вектора Стокса) будет равен нулю. Таким образом, полученный вектор Стокса совпадает с выражением для КД в дихроичном веществе (случай 1).The first element of the Stokes vector ( ). In him she is negligible equals 1, at the Brewster angle. n =cos2β=1 at β=0, and then the component (the second element of the Stokes vector) will be equal to zero. Thus, the resulting Stokes vector coincides with the expression for the CD in a dichroic substance ( case 1 ).

Сопоставление элементов матрицы, отвечающих за круговую поляризацию, показывает, что =, а так как m=sin2β, а b=, ≈1 то элемент зависит от синуса угла вращения пластины диэлектрика.A comparison of the matrix elements responsible for circular polarization shows that = , and since m =sin2β and b = , ≈1 then the element depends on the sine of the angle of rotation of the dielectric plate.

=b sin2β (8) = b sin2β (8)

По определению круговой дихроизм это , значит зависимость величины КД, получаемой прохождением света через предлагаемое устройство, будет описываться формулой синуса угла поворота изотропных пластин.By definition, circular dichroism is , it means that the dependence of the value 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 наклонных изотропных прозрачных пластин взяты пластины из плавленого кварца, у которого для λ=550 нм показатель преломления равен n=1.46. При угле наклона пластины, равном углу Брюстера (для плавленого кварца αБ=55.6°), коэффициент будет равен нулю и, соответственно, степень линейной поляризации проходящего луча, рассчитанная по формуле (3) достигнет максимума и будет равна ≈7%, а после прохождения восьми граней двух пар изотропных пластин (формула (7) ≈ 44 %. As inclined isotropic transparent plates, plates of fused quartz were taken, in which, for λ=550 nm, the refractive index is n =1.46. At the plate inclination angle equal to the Brewster angle (for fused quartz α B =55.6°), the coefficient will be equal to zero and, accordingly, the degree of linear polarization of the passing beam, calculated by formula (3), will reach a maximum and will be equal to ≈7%, and after passing eight faces of two pairs of isotropic plates (formula (7) ≈ 44%.

Таким образом, при фиксированном угле наклона пластин плавленого кварца равном углу Брюстера, вращая первую пару пластин относительно оптической оси можно задавать величину "псевдодихроизма" в пределах от 0 до 0.44. Thus, at a fixed angle of inclination of the fused quartz plates equal to the Brewster angle, rotating the first pair of plates relative to the optical axis, one can set the value of "pseudo-dichroism" in the range from 0 to 0.44.

Рабочая область углов вращения β, определяется из формулы (8). Реальные значения КД большинства веществ находятся в диапазоне ≤ 10-3. Учитывая, что значение угла наклона пластин зафиксировано на угле Брюстера, значение b=0.25. Соответственно, The working area of rotation angles β is determined from formula (8). The actual values of the CD of most substances are in the range ≤ 10 -3 . Considering that the value of the angle of inclination of the plates is fixed at the Brewster angle, the value of b = 0.25. Respectively,

0.44·sin2φ ≤ 0.001, sin2φ≤, sin2φ≤0.00227, 2φ≤arcsin0.002270.44 sin2φ ≤ 0.001, sin2φ≤ , sin2φ≤0.00227, 2φ≤arcsin0.00227

2φ≤0.13 рад.2φ≤0.13 rad.

φ≤0.065 рад. (3.705°).φ≤0.065 rad. (3.705°).

Рабочая область углов вращения согласованной пары изотропных не превышает 0.065 рад (̴ 3.7°). Отличие от линейности в данном диапазоне углов значительно меньше 1%.The working range of rotation angles of a matched isotropic pair does not exceed 0.065 rad (̴ 3.7°). The difference from linearity in this range of angles is much less than 1%.

Claims (1)

Устройство для калибровки дихрографов кругового дихроизма, содержащее частично линейный поляризатор, состоящий из пары прозрачных в оптическом диапазоне изотропных пластин диэлектрика равных толщин с фиксированными углами наклона ϕ и ϕ+90° относительно оптической оси, и фазовую пластину, обеспечивающую разность хода между обыкновенным и необыкновенным лучами (2m+1)⋅λ/4, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит второй частично линейный поляризатор, расположенный между первым частично линейным поляризатором и фазовой пластиной, и состоящий из пары прозрачных в оптическом диапазоне изотропных пластин диэлектрика равных толщин с фиксированными углами наклона ϕ и ϕ+90° относительно оптической оси, при этом первый на пути луча частично линейный поляризатор имеет возможность вращения относительно оптической оси, второй частично линейный поляризатор неподвижен, и быстрая ось фазовой пластины ориентирована под углом 45° к плоскости частичной линейной поляризации светового луча изотропных пластин второго частично линейного поляризатора.A device for calibrating circular dichroism dichrographs, containing a partially linear polarizer, consisting of a pair of isotropic dielectric plates of equal thickness transparent in the optical range with fixed tilt angles ϕ and ϕ+90° relative to the optical axis, and a phase plate providing a path difference between ordinary and extraordinary beams (2m+1)⋅λ/4, characterized in that the device additionally contains a second partially linear polarizer located between the first partially linear polarizer and the phase plate, and consisting of a pair of isotropic dielectric plates transparent in the optical range of equal thicknesses with fixed tilt angles ϕ and ϕ + 90° relative to the optical axis, while the first partially linear polarizer in the beam path can rotate relative to the optical axis, the second partially linear polarizer is stationary, and the fast axis of the phase plate is oriented at an angle of 45° to the plane of partial linear polarization of the light beam of isotropic plates second partially linear polarizer.
RU2022135312A 2022-12-30 Device for calibrating circular dichroism dichrographs RU2801066C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2801066C1 true RU2801066C1 (en) 2023-08-01

Family

ID=

Citations (4)

* 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
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
RU2682605C1 (en) * 2017-12-27 2019-03-19 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" Circular dichroism dichrographs calibration device

Patent Citations (4)

* 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
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
RU2682605C1 (en) * 2017-12-27 2019-03-19 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" Circular dichroism dichrographs calibration device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6738138B2 (en) Small spot ellipsometer
US6353477B1 (en) Regression calibrated spectroscopic rotating compensator ellipsometer system with pseudo-achromatic retarder system
Garcia-Caurel et al. Advanced Mueller ellipsometry instrumentation and data analysis
US9857292B2 (en) Broadband and wide field angle compensator
JPS6134442A (en) Ellipsometry measuring method for inspecting physical characteristic of sample surface or surface film layer of sample and device thereof
US6181421B1 (en) Ellipsometer and polarimeter with zero-order plate compensator
KR20080090994A (en) Method and apparatus for measuring phase difference
Bian et al. Mueller matrix ellipsometer based on discrete-angle rotating Fresnel rhomb compensators
CN113063534B (en) Nondestructive testing system and method for residual stress of transparent material
RU2590344C1 (en) Device for calibrating dichrograph of circular dichroism
RU2801066C1 (en) Device for calibrating circular dichroism dichrographs
JP2003050185A (en) Method for absolute calibration of interferometer
King et al. A comparison of thin film measurement by guided waves, ellipsometry and reflectometry
Dignam et al. Azimuthal misalignment and surface anisotropy as sources of error in ellipsometry
Purwar et al. Development and eigenvalue calibration of an automated spectral Mueller matrix system for biomedical polarimetry
West et al. Polarization errors associated with birefringent waveplates
RU2682605C1 (en) Circular dichroism dichrographs calibration device
US3941482A (en) Method of testing alkali halide crystals with anisotropic centers
CN103575662B (en) optical measuring system
EP0144115A2 (en) An ellipsometer
RU2629660C1 (en) Device for calibrating circular dichroism digrographs
JPH055699A (en) Refractive index and film thickness measuring method for anisotropic thin film
Clarke Interference effects in compound and achromatic wave plates
Karabegov Metrological and technical characteristics of total internal reflection refractometers
Banerjee et al. Broadband achromatic tunable polarization rotator