SU1742635A1

SU1742635A1 - Precision spectropolarimeter

Info

Publication number: SU1742635A1
Application number: SU904874794A
Authority: SU
Inventors: Геннадий Иванович Уткин
Original assignee: Научно-исследовательский институт радиоэлектроники и лазерной техники МГТУ им.Н.Э.Баумана
Priority date: 1990-08-13
Filing date: 1990-08-13
Publication date: 1992-06-23

Abstract

Изобретение относитс к области оптического аналитического преобразовани , а конкретнее к устройствам пол риметрического контрол состава и свойств веществ, и может быть использовано при проведении научных исследований в области биотехнологии и аналитической химии. Целью изобретени вл етс повышение точности измерени оптической активности образцов , Пол риметр содержит фотоприемник грубого и точного слежени и схему их автоматического переключени при изменении взаимною расположени пол ризаторов, что псзво ет снизить вли ние импульсов фотоприемников на работу пол риметрического тракта и повысить точность измерений . 2 илThe invention relates to the field of optical analytical conversion, and more specifically to devices for polarimetric control of the composition and properties of substances, and can be used in scientific research in the field of biotechnology and analytical chemistry. The aim of the invention is to improve the accuracy of measuring the optical activity of the samples, the Polimeter contains a coarse and accurate tracking photodetector and a circuit for their automatic switching when the polarizers change their relative position, which reduces the effect of photodetector pulses on the polarimetric path and improves the measurement accuracy. 2 yl

Description

Изобретение относитс к оптическому аналитическому приборостроению, а конкретнее к устройствам пол риметрического контрол состава и свийств веществ и может быть использовано при проведении научных исследований в области биотехнологии и аналитической химии.The invention relates to optical analytical instrumentation, and more specifically to devices for polarimetric control of the composition and properties of substances and can be used in scientific research in the field of biotechnology and analytical chemistry.

Цель изобретени - повышение точности измерени оптической активности образцов .The purpose of the invention is to improve the accuracy of measuring the optical activity of samples.

На фиг. 1 представлена структурна схема прецизионного спектропол риметра; на фиг. 2 - вариант конструктивного исполнени оптического коммутатора с фотоприемниками (разрез А-А).FIG. Figure 1 shows the structural scheme of a precision spectrometer; in fig. 2 shows an embodiment of an optical switch with photodetectors (section A-A).

Спектропол риметр содержит источник 1 излучени , линзовый конденсатор 2, моно- хроматор 3, линзу 4, поворотное зеркало 5, лазер 6, пол ризатор 7, кювету 8, пол ризационный ортогональный светоделитель в виде призмы Рошона 9, ахроматизованную четвертьволновую пластинку 10, пустотелый ротор с посто нными магнитами 11, двигатель 12, плоское зеркало 13, параболическое заркало 14, пространственный светоделитель 15, фотодиоды грубого слежени 16, 16.1, электромагнит 17 привода оптического коммутатора, зеркальную шторку с отверстием 18 оптического коммутатора, фотоэлектронные умножители точного канала слежени 19, 19.1, электронные коммутаторы 20, 20.1, схему суммарно-разностной обработки сигнала 21, усилитель 22, амплитудный дискриминатор 23, датчик 24 угол-код, конические шестерни 25, корпус 26, шаговый двигатель 27. Спектропол риметр работает следующим образомSpectrophotometer contains a radiation source 1, a lens capacitor 2, a monochromator 3, a lens 4, a turning mirror 5, a laser 6, a polarizer 7, a cell 8, a polarizing orthogonal beam splitter in the form of a Rochon prism 9, an achromatic quarter-wave plate 10, a hollow rotor with permanent magnets 11, motor 12, flat mirror 13, parabolic light 14, spatial beam splitter 15, coarse-tracking photodiodes 16, 16.1, optical switch actuator electromagnet 17, mirror curtain with optical switch hole 18 a, photomultiplier tubes of the exact tracking channel 19, 19.1, electronic switches 20, 20.1, total-difference signal processing circuit 21, amplifier 22, amplitude discriminator 23, angle-code sensor 24, bevel gears 25, housing 26, stepper motor 27. Spectropol The meter works as follows

ГО GO

соwith

СПSP

Световое излучение источника 1 собираетс конденсатором 2 на входной щели монохроматора 3 и после прохождени мо- нохроматора коллимируетс линзой 4 в параллельный пучок, направл емый ею на узел поворотного зеркала 5.The light radiation of source 1 is collected by a capacitor 2 on the entrance slit of the monochromator 3 and, after passing through the monochromator, is collimated by a lens 4 into a parallel beam directed by it to the swivel mirror assembly 5.

Поворотное зеркало 5 служит дл коммутации световых потоков, вход щих из монохроматора 3 или из лазера 6 и используемых в дальнейшем в измерительной части прибора. Световой поток, прошедший через узел поворотного зеркала 5 пропускаетс затем через неподвижно закрепленный пол ризатор 5 и кювету 8 и направл етс на вход вращающегос пол ризационного ортогонального светоделител , выполненного в виде двухлучевой пол ризационной призмы 9, например призмы Рошона или Сенармона. На выходе призмы 9 световой поток раздел етс на два ортогонально пол ризованных пучка, один из которых распростран етс вдоль оптической оси тракта, а другой - под некоторым небольшим углом наклона к оптической оси тракта. На выходе призмы 9 установлена четвертьволнова пластинка 10, котора преобразует линейчые ортогональные пол ризации световых пучков, выход щих из призмы 9, в ортогональные циркул рные пол ризации. Это позвол ет исключить эффекты, св занные с изменением чувствительности ортоприемников а зависимости от угла азимута плоскости пол ризации излучени , падающего на них.Swivel mirror 5 serves to switch the light fluxes coming in from the monochromator 3 or from laser 6 and used later in the measuring part of the device. The luminous flux transmitted through the hinged mirror unit 5 is then passed through a fixedly mounted polarizer 5 and the cuvette 8 and is directed to the input of a rotating polarization orthogonal beam splitter, made in the form of a double-beam polarization prism 9, for example, a prism of Rochon or Senarmon. At the output of the prism 9, the luminous flux is divided into two orthogonally polarized beams, one of which propagates along the optical axis of the path, and the other at some small angle of inclination to the optical axis of the path. At the output of the prism 9, a quarter-wave plate 10 is installed, which converts linear orthogonal polarizations of the light beams emerging from the prism 9 into orthogonal circular polarizations. This makes it possible to eliminate the effects associated with a change in the sensitivity of ortho-receivers as a function of the azimuth angle of the plane of polarization of the radiation incident on them.

Излучение, идущее вдоль оптической оси тракта, не мен ет своего пространственного положени при вращении анализатора 9. Поэтому после отражени зеркаломThe radiation traveling along the optical axis of the path does not change its spatial position during rotation of the analyzer 9. Therefore, after reflection by the mirror

13оно фокусируетс зеркальной параболой13 it focuses with a mirror parabola

14на отражающей центральной площадке светоделительного кубика 15. После отражени центральной зоной аксиально направленное излучение через линзовый конденсатор, наклеенный на боковую поверхность кубика 15, попадает на зеркальную поверхность оптического коммутатора 18 и отражаетс на фотодиод 16.1. Второй пучок света, выход щий наклонно к оптической оси из призмы 9, после отражени зеркалом 13 фокусируетс на прозрачной периферийной зоне светоделительного кубика 16. Этот световой поток при вращении анализатора 9 сканирует в пространстве по кольцевой периферийной зоне кубика 15, коаксиально расположенный по отношению к оси вращени и прозрачной дл падающего излучени . При этом излучение, прошедшее через кубик 15, собираетс кон- денсорной линзой, наклеенной на торцевую поверхность кубика 15 и отражаетс зеркалом оптического коммутатора 18 на второй фотодиод 16.14 on the reflective central area of the beam-splitting cube 15. After reflection by the central zone, axially directed radiation through a lens capacitor glued to the side surface of the cube 15 hits the mirror surface of the optical switch 18 and reflects to the photodiode 16.1. The second beam of light, which is obliquely directed to the optical axis from the prism 9, after reflection by the mirror 13 focuses on the transparent peripheral zone of the beam-splitting cube 16. This light flux during rotation of the analyzer 9 scans in space along the annular peripheral zone of the cube 15 rotation and transparent to incident radiation. In this case, the radiation transmitted through the cube 15 is collected by a condenser lens glued to the end surface of the cube 15 and reflected by the mirror of the optical switch 18 to the second photodiode 16.

Выходы фотодиодов 16 и 16.1 через нормально замкнутые контакты коммутаторовPhotodiode 16 and 16.1 outputs through normally closed switch contacts

20 и 20.1 подключены на информационные входы блока суммарно-разностной обработки . Сигнал с разностного выхода, нормированный по амплитуде суммарного уровн принимаемых сигналов, через усилитель20 and 20.1 are connected to the information inputs of the total-differential treatment unit. The signal from the differential output, normalized by the amplitude of the total level of received signals, through an amplifier

0 22 поступает на двигатель 12, в пустотелом валу которого укреплен вращающийс анализатор 9 и фазова пластинка 10. Одновременно сигнал с выхода усилител 22 поступает на информационный вход ком5 парзтора 23, выход которого параллельно подключен на управл ющие входы электронных коммутаторов 20 и 20.1, а также исполнительного соленоида 17 оптического коммутатора 18.0 22 enters the motor 12, in the hollow shaft of which a rotating analyzer 9 and phase plate 10 are fastened. At the same time, the signal from the output of the amplifier 22 is fed to the information input of a parser 23, the output of which is connected in parallel to the control inputs of electronic switches 20 and 20.1, as well as Executive solenoid 17 of the optical switch 18.

0В начале процесса измерени интенсивность аксиально идущего пучка велика из-за нескрещенности положений пол ризатора Т и анализатора 9, поэтому данный пучок воспринимаетс фотодиодом 16.1, ко5 торый не подвержен эффекту избыточных шумов последстви .0At the beginning of the measurement process, the intensity of the axially reaching beam is high due to the unlabeled positions of the polarizer T and the analyzer 9, therefore, this beam is perceived by photodiode 16.1, which is not subject to the effect of excessive noise due to the consequence.

Вблизи положени скрещенное™ пол ризаторов оптического тракта интенсивность аксиального пучка резко уменьшаетс . КогдаNear the position of the crossed ™ polarizers of the optical path, the intensity of the axial beam decreases sharply. When

0 фотоэлектрический сигнал с фотодиода 16.1 становитс меньше заданного порогового напр жени U опор, поступающего на опорный вход компаратора 23, компаратор 23 вырабатывает управл ющий сигнал, посту5 г.ающий на соленоид 17, который перемещением зеркал оптического коммутатора 18 переключает принимаемое оптическое излучение с фотодиодов 16 и 16.1 на фотока- тоды фотоэлектронных умножителей 19 и0 the photoelectric signal from the photodiode 16.1 becomes less than a predetermined threshold voltage U of the supports supplied to the reference input of the comparator 23, the comparator 23 generates a control signal to be applied to the solenoid 17, which switches the received optical radiation from the photodiodes 16 by moving the mirrors of the optical switch 18 and 16.1 for photodiodes of photomultipliers 19 and

0 19,1.0 19.1.

Одновременно коммутаторы 20 и 20.1 переключают входы суммарноразностной схемы с выходов фотодиодов 16, 16.1 на выходы фотоэлектронных умножителей 19 иAt the same time, the switches 20 and 20.1 switch the inputs of the total difference circuit from the outputs of the photodiodes 16, 16.1 to the outputs of the photomultipliers 19 and

5 19.1. Таким образом начальные высокоинтенсивные световые потоки воздействуют на фотодиоды, которые имеют низкую чувствительность , но не ослепл ютс сильными световыми потоками. Фотокатоды ФЭУ5 19.1. Thus, the initial high-intensity light fluxes affect photodiodes that have low sensitivity but are not blinded by strong light fluxes. Photocathodes of PMT

0 наход тс в этот момент в полной темноте, что резко снижает уровень их избыточного шума. Посла уменьшени интенсивности измерительных потоков ниже уровн , вызывающего эффект ослеплени фотокатода0 are at this moment in complete darkness, which drastically reduces their excessive noise. After reducing the intensity of the measuring fluxes below the level causing the photocathode blinding

5 ФЭУ, азтоматически включаютс дл приема измерительных оптически1 сигналов фотоэлектронные умножители обладающие более высокой чувствительностью к оптическому сигналу тллоть дс счета единичных Фотонов. Эти .1реимущества позвол ют резко снизить вли ние шумов ФЭУ на работу пол риметрического тракта и улучшить тем самым точность работы спек- тропол риметра.5 PMTs are automatically activated to receive measurement optics signals; photomultipliers that have a higher sensitivity to the optical signal, such as single photon counting. These .1 advantages make it possible to drastically reduce the effect of photomultiplier noise on the operation of the polarimetric tract and thereby improve the accuracy of the spectrophotometer.

Конструктивные отличи предложенно- го устройства позвол ют увеличить точность пол риметрических измерений в 2-4 раза, повысить надежность работы прибора .The design differences of the proposed device allow to increase the accuracy of polarimetric measurements by 2-4 times, to increase the reliability of the instrument.

Эти преимущества позвол ют широко использовать данное технического решение в пол риметрических приборах неразрушающего технологического контрол , используемых в различных отрасл х промышленности .These advantages make it possible to widely use this technical solution in polarimetric non-destructive process control devices used in various industries.

Claims

Claims of the Invention A precision spectrometer, comprising a serially installed and optically coupled radiation source, a monochromator, a polarizer, a cell, a photodetector, as well as an amplifier and a follower drive engine, kinematically associated with the angle sensor - a code that is different in that in order to improve the measurement accuracy, in the course of the radiation, after the cuvette, a polarization beam splitter, kinematically connected with the follower drive engine, is additionally introduced; a plate rigidly connected to the beam splitter, and a spatial beam splitter, a second photodetector, optically coupled to the orthogonal output of the spatial beam splitter, a total differential signal processing circuit, coarse photodetectors, optical switch, electronic switch and amplitude discriminator; radiation after spatial beam splitter, and its side outputs are optically coupled to photodetectors and coarse photodetectors, Which through electronic switches are connected to the information inputs of the total-difference processing circuit, the output of which is connected in parallel to the input of the amplitude discriminator and amplifier, the output of the discriminator connected to the control input of the optical switch and the control inputs of the electronic switches, and the output of the amplifier is connected to the motor trace drive.

1 g j

1

FIG. 2