Главная | Обратная связь

Поляризационные ОЭП

При прохождении через оптические среды состояние поляризации излучения может меняться, причем это изменение зависит от внешнего воздействия на оптическую среду магнитного и электрического полей, давления и т. п. Состояние поляризации может изменяться в результате индуцированного вращения эллипсоида поляризации излучения или индуцированного двулучепреломления. Указанные зависимости являются основой для построения поляризационных датчиков (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Классификация поляризационных датчиков

 

Поляризационные датчики отличаются от амплитудных и интерферометрических наличием поляризаторов и анализаторов. Эти элементы, как правило, должны устанавливаться в месте получения первичной информации, что связано с возможной деполяризацией излучения или дополнительным двулучепреломлением, которое могут внести подводящие и отводящие волоконные световоды. Такое расположение поляризаторов, выполняемых обычно на основе органических пленок, существенно ограничивает область применения поляризационных датчиков, снижает верхний предел рабочих температур до 50 – 60° С. Использование скрещенных поляризатора и анализатора, располагаемых последовательно по световому лучу, вызывает значительные потери в оптической системе и уменьшает регистрируемую фотоприемником мощность примерно на два порядка, что в свою очередь с учетом малости мощностей используемых обычно в ВОД источников излучения приводит к уменьшению динамического диапазона поляризационных датчиков.

Поляризационно-вращательные датчики пригодны для регистрации напряженности магнитного и электрического полей, температуры, однако обладают меньшей чувствительностью, чем поляризационные датчики с индуцированным двулучепреломлением. Датчики с индуцированным двулучепреломлением помимо указанных применений можно использовать для регистрации ряда механических воздействий (усилия, давления, перемещения). В последнем случае оптические материалы используются как конструкционные, воспринимающие внешнее механическое воздействие, что устанавливает дополнительные требования к ним по механической прочности.

Таким образом, как показывает проведенный анализ, практически все наиболее распространенные нерегулярности нашли применение в световодных ОЭП. Однако, как видно из изложенного, возможности последних в приложении к ОЭП еще далеко не исчерпаны. Целенаправленные исследования различных нерегулярностей и разработки измерителей на их основе позволят создать широкую гамму новых световодных ОЭП. Кроме этого многофункциональность зависимостей характеристик нерегулярностей от различных возмущений позволяет предвидеть их широкое применение не только в ОЭП, но и, например, в технологических процессах вытяжки самих световодов (контроль параметров) или в различного рода устройствах (оптические реле, дефлекторы, устройства ввода и вывода и т. д.).

Рассмотренные в главе амплитудные оптические и волоконно-оптические датчики в силу своей простоты и подготовленности элементной базы вполне доступны для промышленного внедрения.

Амплитудные датчики на основе модуляции излучения переменным коэффициентом поглощения среды отличаются простотой конструкции, в которой отсутствуют механически перемещающиеся части, область применения этой схемы модуляции ограничена лишь измерением температуры, дозы радиации, напряженности электрического поля. Это обусловлено отсутствием материалов, эффективно изменяющих свое поглощение при других физических воздействиях.

Датчики на основе нарушения полного внутреннего отражения обладают высокой чувствительностью, позволяют использовать однократное отражение, что в значительной степени уменьшает габариты устройства. Как и в предыдущем случае, недостатком их является наличие механической системы. Область применения в основном ограничена измерением давления, перемещения, усилия.

Датчики на основе управляемой связи волноводов обладают высокой чувствительностью, хорошими массогабаритными показателями. Отсутствие механической системы является существенным достоинством этих датчиков, однако технология их изготовления достаточно сложна.

 

5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПЛОСКИХ
СВЕТОВОДОВ ПРИ ПОСТРОЕНИИ ОЭП

5.1. Требования к методической базе
для исследования многокомпонентных
гетерогенных непрозрачных объектов

Проблемы исследования структуры материи имеют огромное значение, ибо структура является основой функционирования любой системы, определяя ее разнообразные свойства. Поэтому необходимо развитие методов исследования таким образом, чтобы они смогли обеспечить получение информации о степени упорядоченности структур. Сформулируем основные требования к методам исследования степени упорядоченности. Для этого обратимся к гипотезе «стохастической псевдокристалличности», в соответствии с которой структуры рассматриваются как трехмерные случайные поля, обладающие упорядоченностью, степень которой обусловливает свойства и функциональные возможности исследуемых объектов. То есть структура является основой функционирования любой системы, определяя ее физико-химические, механические и другие свойства. Причем индикатором на изменения состояния системы должны явиться динамические изменения (динамика изменения градиентов, потоков этих изменений, скоростей и направлений) пространственной и временной организации как материального носителя «состояния» системы. Таким образом, если разработаны методы и устройства получения информации о неразрушенном объекте по трем координатам, то возможно иметь количественную информацию о свойствах этого объекта.

Исследования в таком направлении должны располагать методической базой, которая должна обеспечить выполнение следующих требований: 1) анализ многокомпонентных гетерогенных систем должен проводиться без их разрушения; 2) необходимо обеспечить получение информации об изменении во времени химического состава объектов на разном расстоянии от его поверхности (определение динамики изменения градиента концентрации во времени); 3) необходимо обеспечить получение информации об изменении степени организации полимеров (биополимеров) во времени и в пространстве (определение динамики изменения градиента степени пространственной организации); 4) необходимо использовать статистические методы анализа и синтеза, поскольку реальные объекты, как правило, носят случайный, а не детерминированный характер. Детерминированные же числовые оценки должны быть заменены вероятностными характеристиками функций распределения различных параметров структур.

Текущий век – век междисциплинарных исследований. Методология междисциплинарных исследований это горизонтальная, как говорил Э. Ласло, трансдисциплинарная связь реальности – ассоциативная, с метафорическими переносами, зачастую символьным мотивом, несущим колоссальный эвристический заряд, в отличие от вертикальной причинно-следственной связи дисциплинарной методологии. Дисциплинарный подход решает конкретную задачу, возникшую в историческом контексте развития предмета, подбирая методы из устоявшегося инструментария. Прямо противоположен междисциплинарный подход, когда под данный универсальный метод ищутся задачи, эффективно решаемые им в самых разнообразных областях человеческой деятельности. Это принципиально иной, холистический способ структурирования реальности, где скорее господствует полиморфизм языков и аналогия, нежели каузальное начало. Здесь ход от метода, а не от задачи.

Анализ современных методов исследования показывает, что получение информации о таких сложных объектах, как многокомпонентные гетерогенные сильно рассеивающие системы, в том числе биологические объекты, перспективно осуществлять через регистрацию изменений параметров электромагнитных излучений при его взаимодействии с объектами исследований. Причем анализ их желательно вести по слоям. Наиболее полно в настоящее время отвечают перечисленным выше требованиям методы спектроскопии внутреннего отражения. Следовательно, необходимо рассмотреть все особенности при исследовании таких объектов этими методами. К тому же спектральные характеристики, полученные в поляризованном свете, дают информацию и о преимущественной пространственной ориентации определенных химических связей в макромолекулярных компонентах объектов. Это, в свою очередь, может характеризовать организованность системы и, соответственно, ее состояние.

Любой метод анализа требует знания количества прореагировавшего с электромагнитным излучением образца. Следовательно, одним из самых важных вопросов подобного анализа является разработка методов количественного определения характеристик и параметров этого образца. Поскольку анализируются спектры НПВО образцов, распределенных по поверхности измерительного элемента (ИЭ) (т.е. совокупную систему, состоящую из образца, воздуха, жидкой среды и т.д.), то характерной особенностью при количественном анализе параметров исследуемых объектов является зависимость эффективных оптических свойств среды от объема незаполненного (заполненного) объектами пространства.

Специфика количественного анализа методами НПВО требует в целом ряде случаев учета оптических постоянных объекта – показателя преломления «n» и показателя поглощения «k».

5.2. Аппаратура для исследования
многокомпонентных гетерогенных объектов

Для решения перечисленных требуется специальная техника, которая промышленностью не выпускается, но для работы с которой можно было бы приспособить серийно выпускаемые спектральные приборы.

При работе с использованием методов НПВО (нарушенного полного внутреннего отражения) получение контрастных неискаженных спектров определяется правильным выбором соотношений между θ (угол падения светового потока), n₁ (показатель преломления материала измерительного элемента) и n₂ (показатель преломления исследуемого образца), которые связаны с k (коэффициентом поглощения образца).

Практическое выполнение этих требований часто сталкивается с тем, что выпускаемые промышленностью приставки к спектральным приборам для работы в режимах НПВО и МНПВО (многократного нарушенного полного внутреннего отражения) имеют ограниченный набор измерительных элементов (ИЭ) из разных материалов (с различными n₁) и с ограниченным числом углов падения θ. Кроме того, эти приставки предназначаются для конкретной аппаратуры. При замене же стандартных ИЭ на самостоятельно изготовленные с необходимыми для каждого конкретного эксперимента параметрами исследователь сталкивается с трудностями юстировки из-за необходимого в этом случае изменения параметров приставки. Часто и переюстировка не обеспечивает нормальный режим работы из-за несоответствия используемого ИЭ оптической схеме приставки или спектрометра, в который она устанавливается. Сказанное приводит к необходимости разработки приставок, которые могли бы быть использованы для решения самых разнообразных задач, что требует иметь устройства, в которых могут быть использованы ИЭ с любыми n₁ и θ в спектрометрах с разными оптическими схемами и в разных спектральных диапазонах. Данная глава посвящена разработанным нами устройствам для решения рассмотренных далее задач.

5.2.1. Устройство для получения
характеристик образцов без их разрушения

Оптическая схема разработанной приставки МНПВО, отвечающей предъявленным выше требованиям, представлена на рис. 5.1. Приставка помещается в кюветное отделение спектрофотометра между осветителем и монохроматором. Световой поток из осветителя направляется зеркальной поверхностью треугольной призмы 1 с углом при вершине 90º на ИЭ 2. После многократного отражения от рабочих поверхностей ИЭ свет выходит из него, попадает на вторую зеркальную поверхность призмы 1 и направляется ею на вход монохроматора. Держатели с кюветой, с помощью которых ИЭ фиксируется, могут перемещаться вдоль нормали 4 к рабочим поверхностям ИЭ регулировочным винтом. Для зеркальной призмы предусмотрено аналогичное перемещение 5 с помощью регулировочного винта, которое необходимо при замене ИЭ на элемент МНПВО с другими геометрическими размерами. Перемещение ИЭ по нормали 4 обеспечивает выполнение условия сохранения фокусировки светового потока в плоскости фотометрического клина 3. Расположение середины ИЭ напротив прямого угла призмы 1 и параллельность его рабочих поверхностей основанию призмы не нарушают нормального прохождения света в приборе.

Приставка может быть использована практически в любом спектральном приборе с ИЭ самых разнообразных параметров. Все устройство смонтировано на металлической плоскости и устанавливается в кюветное отделение прибора в строго фиксированное положение. Кювета герметична и дает возможность работать с образцами в различной фазе: порошками, эмульсиями, суспензиями, различными биологическими объектами.

Основным условием правильной работы устройства является выполнение параллельности входного и выходного лучей в ИЭ. Нахождение приставки в измерительном канале прибора изменяет длину оптического пути светового луча. Предлагаем методику расчета. Для этого рассмотрим прохождение света через ИЭ (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Схема прохождения света через ИЭ

Если острый угол α у большего основания элемента МНПВО равен 45º, то луч света, попадающий в элемент через большее основание по нормали к нему, отразится от боковой поверхности под углом 45º, пройдет через ИЭ параллельно его основаниям, отразится от второй боковой поверхности также под углом 45º и выйдет из ИЭ через большее основание по нормали к нему. В данном случае режим полного внутреннего отражения (ПВО) не осуществляется, поэтому исключаем элемент с сечением в виде трапеции с α = 45˚ из дальнейшего рассмотрения.

Если α < 45˚, то свет, попадающий в элемент по нормали к большему основанию, отражается от боковой поверхности под углом α, попадает на большее основание под углом θ = 2α и распространяется в ИЭ, отражаясь попеременно от рабочих поверхностей под углом θ, попадает на вторую боковую поверхность, отражается от нее под углом α и выходит через большее основание.

В случае полного заполнения боковой поверхности измерительного элемента световым потоком только часть его может попасть на рабочую поверхность под углом θ, другая часть потока может второй раз попасть на боковую поверхность, испытать ПВО от нее и упасть на рабочую поверхность элемента уже не под углом θ, а отличным от него. Если считать (по аналогии с обычными элементами), что световое отверстие рассматриваемых элементов – это та часть поверхности основания элемента, через которую проходят лучи, сохраняющие при внутренних отражениях от рабочих поверхностей заданный угол падения θ, то т.н. полезная площадь светового отверстия не всегда соответствует полной площади наклонных поверхностей. При углах падения θ, меньших 45˚, полезная площадь светового отверстия составляет лишь часть его. Получим зависимость, связывающую полезную площадь светового отверстия с параметрами ИЭ.

Из рис. 5.2 следует, что

(d/t) = [(a – l)/a] или [d/(a – l)] = t/a = tg α,

(b/d) = tg2α, тогда d = b ctg2α,

b ctg2α = t – (b + t tg2α) tg α, откуда

b = [t(1 – tg2α tgα)]/(ctg2α + tgα), тогда

l = t [tg2α + (1 – tg2α tgα)/(ctg2α + tgα)] = 2t sin2α = 2t sinθ. (5.1)

Если l = a, то 2t sinθ = t ctg(θ/2), следовательно, θ = 30˚.

Итак, световое отверстие элемента МНПВО, через которое проходят лучи, сохраняющие при внутренних отражениях угол падения θ на рабочие поверхности, определяется зависимостью l = 2t sinθ. При θ > 60˚ (α > 30˚) световой поток заполняет всю наклонную поверхность ИЭ. При θ < 60˚ во избежание отклонения части светового пучка от обычного пути следует срезать часть входного участка элемента МНПВО или перекрыть его, чтобы световой поток не смог проникнуть внутрь элемента.

Число отражений N луча от рабочих поверхностей ИЭ можно рассчитать, исходя из того, что свет в нем распространяется также, как и в обычном элементе при падении света на боковую поверхность при условии, что θ = 2α. Из рис. 5.1 и рис. 5.2 следует, что при углах θ > 45˚ число отражений определяется из выражения:

 

N = (l₁ / t) ctgθ = [(2l₂ + 2t ctgθ)/2t] ctgθ = ctgθ[(l₂ / t) + ctgθ], (5.2)

где l₁ – расстояние между центрами входного и выходного световых отверстий;

l₂ – длина малого основания ИЭ.

Рис. 5.2. Расчет параметров измерительного элемента

При углах падения θ < 45º число отражений найдено из следующих выражений (рис. 5.3):

l₁ = (l₂ + l₂′)/2; l₂′ = l₂ + 2a′,

a′ = l′ cosθ = 2t sinθ cosθ,

l₂′ = l₂ + 4t sinθ cosθ,

l₁ = l₂ + t sin2θ,

N = ctg θ [(l₂/t) + sin2θ]. (5.3)

Рассмотрим теперь ИЭ с α > 45º. В этом случае световой поток, попадая на боковую поверхность, отражается от нее под углом α, попадает на малое основание и далее распространяется в элементе, попеременно отражаясь от рабочих поверхностей под углом θ = 180º – 2α, т.е. α = 90º – θ/2 (рис. 5.4). Число отражений можно рассчитать, исходя из того, что свет в нем распространяется так же, как и в обычном элементе при падении света на боковую поверхность при условии, что θ = 180º – 2α. Из рис. 5.4 следует, что при θ > 45º имеем:

 

l₁ = (l₂ + l₃)/2, l₃ = l₂ + 2a, a = t ctgθ,

N = ctgθ[(l₂/t) + ctgθ] – 2. (5.4)

а

б

Рис. 5.3. Элемент МНПВО для случаев:

а) θ > 45° (при θ = 2α); б) θ < 45° (при θ = 2α).

а

б

Рис. 5.4. Элемент МНПВО при θ = 180° – 2α
для случаев: а) θ > 45°; б) θ > 45°.

Для θ < 45º число отражений можно найти из следующих соображений:

l′ = 2t sinθ, a′ = 2t sinθ cosθ,

N = [(2l₂ + 4t sinθ cosθ)/2t]·ctgθ = ctgθ[(l₂/t) + sin2θ] – 2. (5.5)

При выборе элемента с α ¹ 45º необходимо также учитывать следующее. Если θ = arcsin(1/n₁) > α, то на наклонную поверхность элемента необходимо нанести зеркальное покрытие для отражения света от боковой поверхности. Если α > 45º [α = 90º – (θ/2)], то θ < α, поэтому для такого элемента не требуется зеркальное покрытие на наклонной поверхности. Однако, в таком элементе световой поток, полностью заполняющий боковую отражающую поверхность, не полностью заполняет рабочие поверхности ИЭ, в связи с чем уменьшается интенсивность спектра. Элемент с α < 45º свободен от этого недостатка.

При создании приставок МНПВО необходимо учитывать, что в спектрофотометрах обычно используются непараллельные световые пучки с их фокусировкой либо в плоскости оптического клина, либо в середине кюветного отделения. Поэтому любой ИЭ (если n₁ = 1) вызывает дефокусировку светового потока из-за изменения длины оптического пути. Получим выражение для условия сохранения фокусировки.

Действительная длина светового пути в материале с показателем преломления n₁ > 1 определяется из выражения:

 

L = n d cos r/cos i, (5.6)

где i и r – половины углового расхождения падающего и преломленного лучей у входной поверхности соответственно.

Поскольку i и r – близки к нулю, то cos i = cos r = 1, и тогда L = n₁d.

Оптическая длина светового пути в измерительном элементе d = (L/n₁), т.е. при n₁ > 1 происходит уменьшение длины оптического пути светового потока, что является причиной нарушения фокусировки в спектрофотометре. Фокусировка останется без изменения только в том случае, если оптическая длина светового пути в элементе МНПВО плюс удвоенное расстояние от зеркальной призмы до входной поверхности элемента будет равняться расстоянию между входной и выходной поверхностью ИЭ (рис. 5.1), т.е.

 

l₁ = 2AA₁ + (L/n₁) = 2X + (L/n₁), (5.7)

где АА₁ = Х – расстояние от зеркальной призмы до ИЭ.

Действительная длина пути в ИЭ, а также l₁ определяются из геометрии элемента:

L = t + (t/cosθ) + {[t(N – 1)]/cosθ}, (5.8)

l = t N tgθ, (5.9)

тогда получим выражение, пользуясь которым, можно отъюстировать приставку, сохраняя фокусировку светового потока в заданном оптической схемой спектрофотометра месте:

 

2X = N t tgθ – (Nt/n₁cosθ) – t / n₁. (5.10)

В случае необходимости зеркальную призму можно заменить трапециевидной призмой.

Руководствуясь полученными в настоящем разделе выражениями можно рекомендовать расчет параметров всей приставки МНПВО производить следующим образом:

1) зная оптические постоянные исследуемого объекта в заданном спектральном диапазоне, выбирается число отражений (нечетное) и угол падения θ из условия, что θ > θкр = arcsin(n₂ / n₁);

2) выбирается вид элемента МНПВО (α < 45º или α > 45º), для α < 45º
θ = 2α, для α > 45º θ = 180º – 2α;

3) из выражений (5.2) – (5.5) выбирается толщина t и длина малого основания ИЭ;

4) из выражения (5.10) определяется расстояние от зеркальной призмы до входной поверхности измерительного элемента.

Рассчитанные таким образом параметры позволяют использовать разработанное устройство МНПВО без изменения практически в любых спектрометрах. При смене ИЭ с разными параметрами фокусировка светового потока в спектрометрах восстанавливается за счет изменения расстояния от зеркальной призмы до элемента МНПВО с помощью регулировочного винта. Вместо треугольной призмы можно использовать трапециевидную зеркальную призму, если расстояние от зеркала до ИЭ должно быть меньше 1/2 АА₁.

В качестве примера приведем расчет при использовании ИЭ МНПВО с
θ = 45º, изготовленного из германия. Угол θ = 45º > θ_кр различных биологических объектов и обеспечивает поэтому хорошее воспроизведение неискаженных спектров. Число отражений N = 7 позволяет получать достаточно контрастные для количественных обсчетов полосы поглощения.

Выбираем элемент МНПВО с α < 45º, тогда α = θ/2 = 22,5º. Поскольку θ_{кр.возд.} = arcsin(n₂/n₁) = 15,5º < 22,5º, то на наклонных поверхностях обеспечивается режим ПВО и не требуется их зеркального покрытия.

Если выбрать t = 5 мм, то из выражения (5.2) следует, что длина наклонной поверхности должна быть 3,5 мм. Остальная часть должна быть удалена из-за мешающих эффектов.

Расстояние от зеркальной призмы до ИЭ находится из (5.10) и равно
Х = 10,6 мм.