SU805080A1

SU805080A1 - Polarimeter

Info

Publication number: SU805080A1
Application number: SU792738871A
Authority: SU
Inventors: Владимир Афанасьевич Батюк; Борис Владимирович Васютин; Валентин Викторович Гусаров; Сергей Георгиевич Егоров; Владимир Иванович Еремеев; Валерий Алексеевич Новиков; Андрей Николаевич Смирнов; Анатолий Афанасьевич Уваров; Николай Михайлович Шаховской
Original assignee: Специальное Конструкторское Бюроордена Ленина Физико-Техническогоинститута Им. A.Ф.Иоффе Ah Cccp
Priority date: 1979-03-20
Filing date: 1979-03-20
Publication date: 1981-02-15

Description

1one

Изобретение относитс к приборостроению , а более конкретно к приборам дл измерени пол ризации света, и может быть использовано дл проведени исследований в астрофизике и при оптических исследовани х .The invention relates to instrumentation, and more specifically to devices for measuring the polarization of light, and can be used for research in astrophysics and optical studies.

Известен прибор дл фотоэлектрического анализа степени пол ризации .световой волны, измерени круговой пол ризации слабых светоилх потоков.A device is known for photoelectric analysis of the degree of polarization of a light wave, measuring circular polarization of weak light fluxes.

Прибор позвол ет производить анализ уровн пол ризации световой волны и определ ть три параметра Стокса 1.The instrument allows the analysis of the level of polarization of the light wave and the determination of three Stokes parameters 1.

Недостатками прибора вл етс невысока точность измерени за счет модул ции светового потока механическим вращающимсЧ: анализатором, невозможность измерени всех параметров Стокса, необходимость двух отдельных приборов дл измерени пол ризации световых потоков слабой и сильной интенсивностей.The disadvantages of the device are low measurement accuracy due to the modulation of the luminous flux by a mechanical rotating analyzer, the impossibility of measuring all the Stokes parameters, the need for two separate instruments for measuring the polarization of the luminous fluxes of low and strong intensities.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому вл етс прибор дл измерени пол ризации световых потоков малой интенсивности содержащий одноканальный измерительный блок, включающий модул тор, анаЛИЗагор , спектральный прибор и Фотоэлектронный умножитель, блок обработки информации, содержаний дискриминаторы нижнего и верхнего уровней, схемы совпадени , формирователи и одновибраторы, блок регистрации и генератор , в цепи обратной св зи которого установлен кварцевый резонатор 2 .The closest in technical essence to the present invention is a device for measuring the polarization of low-intensity light fluxes containing a single-channel measuring unit including a modulator, an AALIZagor, a spectral device and a Photomultiplier, an information processing unit, contents discriminators of the lower and upper levels, coincidence circuits, drivers and one-oscillators, a recording unit and a generator, in the feedback circuit of which a quartz resonator 2 is installed.

Недостатком данного прибора вл етс необходимость подстройки модул тора при -измерении, длины волны исследуемого светового потока. ОтсуствиеThe disadvantage of this device is the need to adjust the modulator when measuring, the wavelength of the luminous flux under study. No

5 автоматической подстройки амплитуды колебаний генератора, управл ющего работой модул тора, приводит к умень шению точности измерений, делает зависимой точность измерени от5, the automatic adjustment of the oscillation amplitude of the generator, which controls the modulator operation, reduces the measurement accuracy, makes the measurement accuracy dependent on

20 спектрального диапазона исследуемого светового потока и не- обеспечивает автоматизацию всего процесса измерени .20 of the spectral range of the luminous flux under study and does not provide automation of the entire measurement process.

Цель изобретени - повысюние точности измерени линейной и круговой .пол ризации во всем диапазоне видимой части спектра световых потоков различной интенсивности и автоматизаци измерений пол ризации световых потоков.The purpose of the invention is to improve the accuracy of measuring linear and circular polarization in the entire range of the visible part of the spectrum of light fluxes of varying intensity and to automate measurements of the polarization of light fluxes.

Цель достигаетс тем, что пол риметр , содержащий измерительный блок, блок обработки информации, генератор в цепи обратной св зи которого установлен , кварцевый резонатор, и цифровой преобразователь, снабжен блоком автоматического управлени генератором , выход которого св зан с кварцевым резонатором, и блоком имитации пол ризованного ff fnana, содержащим последовательно установленные источник света, оптическую систему формировани светового потока с круговой пол ризацией, выдвижной пол роид, сменный светофильтр, модул тор, при этом модул торы измерительного блока и блока имитации жестко прикреплены к кварцевому резонатору, анализатор и фотоприемник, выход которого соеди нен с блоком автоматического управлени генератором, выполненным в виде последовательно установленных широкополосного усилител , фильтров третьей и четвертой гармоники, дискриминатора сигнала ошибки и усилител посто нного тока, выход которого соединен с генератором, вход дискриминатора сигнала ошибки подключен к одному из фильтров, выход широкополосного усилител соединен с Фопмирователем стробов блока обработки информации, л анализатор и два Лотоприемника измерительного блока установлены на одном основан-ии с возможностью поворота.The goal is achieved by the fact that a polarimeter containing a measuring unit, an information processing unit, a generator in a feedback circuit of which is installed, a quartz resonator, and a digital converter, is equipped with an automatic generator control unit, the output of which is associated with a quartz resonator, and a field simulation unit ff fnana, containing a sequentially installed light source, an optical system for forming a luminous flux with circular polarization, a retractable polaroid, a replaceable light filter, a modulator, while The pulleys of the measuring unit and the simulation unit are rigidly attached to a quartz resonator, an analyzer and a photodetector, the output of which is connected to an automatic control unit of the generator, made in the form of sequentially installed broadband amplifier, third and fourth harmonic filters, an error signal discriminator and a DC amplifier, the output of which is connected to the generator, the discriminator input of the error signal is connected to one of the filters, the output of the broadband amplifier is connected to the Footer with The tombs of the information processing unit, the l analyzer, and the two Lotto receiver of the measuring unit are installed on the same rotated base.

На Фиг. 1 изображена оптическа схема предлагаемого пол риметра; на фиг. 2 - его структурна схема.FIG. Figure 1 shows the optical scheme of the proposed polarimeter; in fig. 2 - its structural scheme.

Пол риметр содержит измерительный блок, через входную диафрагму 1 которого проходит световой поток от источника 2 исследуемого света , Цветной светофильтр 3, акустооптический модул тор 4 и установленные на одном основании с возможностью поворота вокруг оси пучка анализатор 5, нейтральный светоЛильтр 6, линзы 7 и 8 лабри к Фотоэлектронные умножители (ЛЭУ) 9 и 10.The field contains a measuring unit, through which the aperture 1 passes the light flux from the source 2 of the investigated light, Color filter 3, acousto-optic modulator 4 and analyzer 5 mounted on one base with the possibility of rotation around the beam axis, neutral light 6, lens 7 and 8 Labri to Photomultiplier tubes (PES) 9 and 10.

Дл наведени на исследуемый источник 2 света пол риметр имеет окул р 11с выдвижной поворотной призмой 12. Пп проверки прибора служит выдвижна калибровочна призма 13. Блок имитации пол ризованного сигнал содержит источник 14 света, отражатель 15, конденсатор 16, пол роид 17, ромб 18 Лренел , выдвижной пленочный пол роид 19, цветной светофильтр 20, акустооптический модул тор 21, пол роид-анализатор 22, линзу 23 Т)абри и лйУ 24. Акустооптические модул торы 4 и 21 жестко прикреплены к торцам кварцевого резонатора 25.The polarimeter has an eyepiece 11c retractable rotary prism 12 for pointing the light source 2 under investigation. At the instrument test, the calibration calibration prism 13 serves. The polarized signal simulation unit contains the light source 14, the reflector 15, the capacitor 16, the polaroid 17, the diamond 18 Lrenel , retractable film poloid 19, color filter 20, acousto-optic modulator 21, polar analyzer 22, lens 23 T) abry and LYU 24. Acoustic-optical modulators 4 and 21 are rigidly attached to the ends of the quartz resonator 25.

Блок обработки информации содержит Формирователь 26 стробов и два идентичных канала, состо щих из импульсного усилител 27 (28), дискриминатора 29 (30) амплитуды и коммутатора 31 (32) сигналов.The information processing unit contains the Shaper Shaper 26 and two identical channels consisting of a pulse amplifier 27 (28), a discriminator 29 (30) amplitudes and a switch 31 (32) signals.

Блок циЛрового преобразовател содеЪжит устройство 33 управлени счетом, счетчи ;и 34 - 37 импульсов, и цифровые индикаторы 38 - 41 и имеет выходы на ЭВМ.The digital converter unit contains the account control and counting device 33, and 34–37 pulses, and digital indicators 38–41, and has computer outputs.

Блок автоматического управлени содержит широкополосный усилитель 42 с АРУ, фильтры третьей 43 и четвертой 44 гармоник частоты модул тора , дискриминатор 45 сигнала ошибки и усилитель 46 посто нного тока.The automatic control unit contains a wideband amplifier 42 with AGC, filters for the third 43 and fourth 44 harmonics of the modulator frequency, an error signal discriminator 45 and a amplifier 46 for direct current.

Блок генератора состоит из управл ющего элемента 47, генератора 48 синусоидальных колебаний и кварцевого резонатора 25,The generator unit consists of a control element 47, a generator of 48 sinusoidal oscillations and a quartz resonator 25,

Пол риметр позвол ет производить измерени круговой и линейной пол ризации света и определ ть все четыре параметра Стокса световых потоков различной, в том числе, мен ющейс по времени интенсивности.The polarimeter allows to measure circular and linear polarization of light and to determine all four Stokes parameters of light fluxes of various, including time varying intensity.

Пол риметр работает следующим образом .Floor meter works as follows.

При помощи выдвижного окул ра 11 с поворотной призмой 12 пол риметр наводитс на исследуемый источник 2 света, исследуемый световой поток от которого, пройд диафрагму 1 и цветной светофильтр 3, попадает на акустический модул тор 4. Цветной светофильтр 3 выдел ет исследуемую спектральную область источника света. Акустооптический модул тор 4, выполненный из блока изотропного плавленого кварца, механически соединен с кварцевым резрнатором 25. Кварцевый резонатор возбуждаетс электрическим полем генератора 48 синусоидальных колебаний. Механические колебани кварцевого резонатора 25 переедаютс акустооптическому модул тору 4 и возбуждгиот 3 нем сто чую ультразвуковую волну, создающую упругое двулучепреломление . Направление упругих деформаций в пластине акустооптического модул тора 4 перпендикул рно направлению распространени светового пучка . Размеры пластины и частота колебаний акустооптического модул тора подбираютс так, чтобы в ней устано-. вилась одна сто ча полуволна (длина пластины 6-Vj/2, где Vj - скорость звука в плавленом кварце, f - частота модул ции). Частота колебаний акустооптического модул тора 4 определ етс размерами пластины и лежит в пределах 30 - 100 кГц.With the help of a retractable eyepiece 11 with a rotary prism 12, a polarimeter is aimed at the source of light 2 under study, the luminous flux from which, passing through the diaphragm 1 and color filter 3, falls on the acoustic modulator 4. The color light filter 3 selects the light source spectral region . An acousto-optic modulator 4, made of an isotropic fused quartz block, is mechanically connected to a quartz resrnator 25. The quartz resonator is excited by an electric field of a sinusoidal oscillator 48. The mechanical oscillations of the quartz resonator 25 overeat the acousto-optic modulator 4 and the excitation from it, the standing ultrasonic wave, creating elastic birefringence. The direction of the elastic deformations in the plate of the acousto-optic modulator 4 is perpendicular to the direction of propagation of the light beam. The dimensions of the plate and the oscillation frequency of the acousto-optic modulator are selected so that it is installed in it. One hundred half-wavelength occurred (plate length 6-Vj / 2, where Vj is the speed of sound in fused quartz, f is the modulation frequency). The oscillation frequency of the acousto-optic modulator 4 is determined by the dimensions of the plate and lies in the range of 30–100 kHz.

Акустооптический модул тор 4 осуществл ет фазовую модул цию компоненты вектора t светового потока, направленной вдоль длинной оси пластины акустооптического модул тора. Линейный анализатор 5 раздел ет световой поток на два пучка с взаимно ортогональными компонентами, направленными под углом 45° относительно 5 осей модул тора при измерении круго- . вой пол ризации и 22,5° при измерении линейной пол ризации, и преобразует фазовую модул цию светового потока в амплитудную. Изменение угла производитс поворотом основани . Разделенные световые пучки проход т через нейтральный светофильтр 6, который ослабл ет световой поток средней и большой интенсивности, и фокусируютс линзами 7 и 8 на фотокатодах 9 и 10 ФЭУ, работающих в режиме счета фотонов. Блок имитации пол ризованного сигнала производит формирование светового потока по виду исследуемой пол ризации и спект ральному диапазону. Отражатель 15 и .конденсор 16 формируют параксиальный световой поток от источника 14 света, который линейно пол ризуетс пол роидом 17, а пройд ромб лренел приобретает круговую пол ризацию. Дл измерени линейной пол ризации выдвижной пленочный пол роид 19 устанавливаетс на пути светового потока и производит преобразование кру говой пол ризации светового потока в линейную. Дгшее световой поток проходит цветной светофильтр 20, идентичный светофильтру 3 и акустооптический модул тор 21, идентичный акустоопти ческому модул тору 4. Анализатор 22 преобразует фазовую модул цию светового потока в амплитудную. Линза Фабри 23 Фокусирует имитированный световой поток на Лотокатоде 24 лЭУ который работает в аналоговом режим Выходной сигнал с ЭУ 24 поступает на вход широкополосного усилител 42 с блока автоматического управлени . Этот блок производит авто матическое управление работой акуст оптических модул торов и Лормировате л стробов блока обработки инЛормации . Акустооптические модул торы 4и 21 работают в режиме перемодул ци на 20-30%. Выходной сигнал с ЛЭУ 24 при изм рении круговой пол ризации содержит нечетные гармоники основной частоты акустооптического модул тора 21, а при измерении линейной пол ризации содержит четные гармоники. Соотноше ни между первой и третьей гармониками при измерении круговой пол ризации , -а при измерении линейной пол ризации между второй и четвертой га мониками, соответствуют определенно амплитуде колебаний акустооптическо го модул тора 21. С выхода широкопо лосного усилител 42 усиленный сигн содержащий нечетные или четные гармоники , поступает на Формирователь 25 стробов блока обработки инЛормации и Лильтры третьей 43 и четверто 44 гармоник. , . При измерении параметров кругово пол ризации используетс .Лильтр третьей гармоники, при измерении параметров линейной пол ризации фильтр четвертой гармоники. Сигнал с выхода одного из Лильтров поступает на дискриминатор 45. Дискриминатор преобразует выделенный Лильтром сигнал в сигнал ошибки, -готорый усиливаетс усилителем посто нного тока 46 и подаетс на управл ющий элемент 47 блока генератора. Управл ющий элемент 47 преобразует сигнал ошибки в управл ющее напр жение, которое задает амплитуду синусоидальных колебаний генератора 48, в цепи обратной св зи которого установлен кварцевый резонатор 25. ИзАенение амплитуды синусоидсшьных колебаний генератора 48 вызывает изменение амплитуды упругих колебаний акустооп- ических модул торов 4 и 21. Импульсы с выхода ЛЗУ 9 и 10 измерительного блока поступают на усилители 27 и 28 блока обработки информации. Усилители 27 и 28 производ т линейное усиление импульсов, а дискриминаторы 29 и 30 амплитуд нормируют импульсы по амплитуде. С выходов дискриминаторов 29 и 30 амплитуд импульсы поступают на коммутаторы 31 и 32 сигналов. Работой ком 1утаторов управл ет Формирователь 26 стробов, на вход которого посту-пает сигнал с выхода широкополосного усилител 42. Лормирователь 26 стробов Аормирует стробы из сигнала ос- . новной гармоники, первой при измерении круговой пол ризации и второй при измерении линейной пол ризации, фаза которых жестко прив зана к фазе колебаний акустооптического модул тора 21. С выхода коммутаторов 31 и 32 сигналы поступгиот на счетчики 34-37 импульсов, которые производ т счет импульсов в интервалы времени, определ емые стробами, вырабатываемыми формирователем 26 стробов. Полное врем счета кратно целому числупериодов модул ции акустооптического модул тора 21. Суммарное врем счета задаетс устройством 33 управлени счетом. Результаты счета индицируютс на цифровых индикаторах 38 - 44, а также передаютс на ЭВМ дл дальнейшей обработки и хранени . Дл проверки комплексного функционировани всех блоков прибора предусмотрено наличие выдвижной калибровочной призмы 13. Призма преобразует падающий световой поток в 100% линейно-пол ризованный . Результаты измерений индицируютс на цифровых индикаторах 38 - 41 и позвол ют оценить качество работы прибора в целом . Дл исследовани пол ризации светового потока в различных спект- ральных диапазонах световой поток пропускаетс через соответствуглцие цветные светофильтры. Дл уменьшени рашбок измерени пол ризации в различных област х спектра в пол ркметре производитс автоматическое измегнение амплитуды колебаний акустоопл-ического модул тора 4.Acousto-optic modulator 4 performs phase modulation of the components of the vector t of the light flux, directed along the long axis of the plate of the acousto-optic modulator. Linear analyzer 5 divides the luminous flux into two beams with mutually orthogonal components, directed at an angle of 45 ° relative to the 5 axes of the modulator when measuring circularly. polarization and 22.5 ° when measuring linear polarization, and converts the phase modulation of the light flux into amplitude. The angle is changed by turning the base. The separated light beams pass through a neutral light filter 6, which attenuates the light flux of medium and high intensity, and are focused by lenses 7 and 8 on photocathodes 9 and 10 of the photomultiplier tubes operating in the photon counting mode. The polarized signal simulation unit produces the formation of a light flux by the type of polarization under study and the spectral range. The reflector 15 and the capacitor 16 form a paraxial luminous flux from the source 14 of the light, which is linearly polarized by the polaroid 17, and the Lrenel rhombus passes through and acquires circular polarization. To measure linear polarization, retractable film polaroid 19 is placed in the path of the luminous flux and converts the circular polarization of the luminous flux to linear. The above light stream passes a color filter 20, identical to the filter 3, and an acousto-optic modulator 21, identical to an acousto-optic modulator 4. Analyzer 22 converts the phase modulation of the light flux into amplitude. Lens Fabry 23 Focuses the simulated luminous flux on the Lottocathode 24 LEA which operates in analog mode. The output signal from the EI 24 is fed to the input of the wideband amplifier 42 from the automatic control unit. This block automatically controls the operation of the acoustics of optical modulators and the lation of the gates of the information processing unit. Acousto-optic modulators 4 and 21 operate in the overmodulation mode by 20–30%. The output signal from the PEM 24 when measuring circular polarization contains odd harmonics of the fundamental frequency of the acousto-optic modulator 21, and when measuring linear polarization contains even harmonics. The ratios between the first and third harmonics when measuring circular polarization, and when measuring linear polarization between the second and fourth hectares, are definitely equal to the amplitude of oscillations of an acousto-optical modulator 21. From the output of a wide-band amplifier 42, an amplified signal containing odd or even harmonics , the Shaper receives 25 gates of the inLormation processing unit and Liltra of the third 43 and the fourth 44 harmonics. , In measuring the parameters of circular polarization, the third harmonic filter is used, and in measuring the parameters of linear polarization, the fourth harmonic filter. The signal from the output of one of the Liltres enters the discriminator 45. The discriminator converts the signal selected by Liltr into an error signal, which is amplified by the DC amplifier 46 and is fed to the control element 47 of the generator unit. The control element 47 converts the error signal into a control voltage, which sets the amplitude of the sinusoidal oscillations of the generator 48, the feedback circuit of which has a quartz resonator 25. Because of the amplitude of the sinusoidal oscillations of the generator 48, the amplitude of the elastic oscillations of the acousto-optic modulators 4 and 21. The pulses from the output of LZU 9 and 10 of the measuring unit are fed to amplifiers 27 and 28 of the information processing unit. Amplifiers 27 and 28 produce linear amplification of pulses, and discriminators 29 and 30 amplitudes normalize pulses in amplitude. From the outputs of the discriminators 29 and 30 amplitudes, the pulses arrive at the switches 31 and 32 signals. The operation of the commander controls the Shaper 26 gates, the input of which receives a signal from the output of the wideband amplifier 42. The lager of the 26 gates Arrows the strobes from the signal o-. harmonics, the first when measuring circular polarization and the second when measuring linear polarization, the phase of which is rigidly tied to the oscillation phase of an acousto-optic modulator 21. From the output of the switches 31 and 32 signals are received from counters 34-37 pulses that produce pulses at intervals determined by the gates produced by the shaper 26 gates. The total counting time is a multiple of the whole number of modulation periods of the acousto-optic modulator 21. The total counting time is specified by the account control device 33. The counting results are displayed on digital indicators 38 - 44, and also transmitted to a computer for further processing and storage. A retractable calibration prism 13 is provided to verify the integrated operation of all units of the instrument. The prism converts the incident light flux into 100% linearly polarized. The measurement results are displayed on digital indicators 38 - 41 and allow you to evaluate the quality of the instrument as a whole. To study the polarization of the luminous flux in different spectral ranges, the luminous flux passes through the corresponding color filters through the corresponding luminous flux. In order to decrease the polarization measurement in different regions of the spectrum, the oscillation amplitude of the acousto-acoustic modulator 4 is automatically measured in the field of the meter.

При смене цветных светофильтров 6 и 22. в момент времени t. , происходит изменение амплитуды третьей гармоники в выходном сигнале ФЭУ 24, котора выдел етс фильтром 43 и приводит к изменению уровн выходного сигнала дискриминатора 45. Изменение напр жени на выходе дискриминатора вызывает изменение амплитуды колебаний генератора 48 синусоидальных напр жений, что приводит к изменению амплитуды упругих колебаний акустооптических модул торов 4 и 21 таким образом, что фазовый сдвиг между ортогональными компонентами вектора Е светового потока остаетс неизменным .When changing color filters 6 and 22. at time t. , the amplitude of the third harmonic changes in the output signal of the PMT 24, which is extracted by the filter 43 and leads to a change in the output signal level of the discriminator 45. A change in the voltage at the discriminator output causes a change in the amplitude of oscillations of the generator 48 sinusoidal stresses, which leads to a change in the amplitude of elastic oscillations acousto-optic modulators 4 and 21 such that the phase shift between the orthogonal components of the light flux vector E remains unchanged.

Предлагаемое изобретение повылает точность измерени степени пол ризации световых.потоков.слабой, средней и сильной интенсивности независимо от их спектрального диапазона, в том числе интенсивности, .мен ющейс во времени, определ ет все параметры Стокса и автоматизирует процесс измерений .The present invention breaks the measurement accuracy of the degree of polarization of the light, weak, medium and strong intensity fluxes regardless of their spectral range, including time-varying intensity, determines all the Stokes parameters and automates the measurement process.

Claims

Invention Formula

A polimeter containing a measuring unit with a replaceable filter by a cell, and a detector and photodetectors, an information processing unit, with a gate driver and two identical channels with a series-installed pulse amplifier, amplitude discriminator and signal switch, generator, in the feedback loop The quartz resonator is installed on it, and a digital converter, the input of which is connected to the switch output, characterized in that, in order to improve the measurement accuracy of the polarization of the light It is equipped with an automatic generator control unit, the output of which is connected to a quartz resonator, and a polarized signal imitation unit, a consistently installed light source, an optical system for generating a luminous flux with circular polarization, a sliding polaroid, a replaceable light filter, a modulator , while the modulators of the measuring unit and the simulation unit are rigidly attached

5 to a quartz resonator, an analyzer and a photodetector, the output of which is connected to an automatic generator control unit, made in the form of sequentially installed

Q broadband amplifier, third and fourth harmonic filters, an error signal discriminator and a DC amplifier whose output is connected to a generator, an error signal discriminator input is connected to one of the filters, a broadband amplifier output is connected to an information processing unit shaper, and an analyzer and two photodetector measuring unit mounted on one base with the possibility of rotation.

Sources of information taken into account in the examination 1. Patent g: DR № 120294, cl. G 01 N 21/40, 1976.

2. Balatsyuk A.P. and others. Measurement of the polarization of light fluxes of low intensity in the photon-counting mode. 0 Instruments and equipment expert, 1976, 1, p. 171-173.

f9 .1