Методы измерения степени поляризации и определения положения

плоскости преимущественных колебаний

Измерения степени поляризации поляризованного излучения и положения плоскости преимущественных колебаний принадлежит к числу наиболее распространенных видов поляризационных измерений. Схемы и приборы, предназначенные для таких измерений, имеют две основных разновидности. К первой относятся схемы и приборы с ручным приводом вращения анализатора, ко второй – с вращением анализатора от электродвигателя и с автоматической обработкой информации, получаемой на выходе фотоприемника.

Схема поляриметра с ручным приводом вращения анализатора имеет следующий вид (рис. 54)

Рис. 54. Структурная схема поляриметра:

1 – лазер; 2 – диафрагма; 3 – модулятор; 4 – анализатор; 5 – фотоприемник; 6 – регистрирующее устройство

Исследуемое излучение лазера 1 проходит через диафрагму 2, модулятор 3, анализатор 4 и попадает на фотоприемник 5. С выхода фотоприемника продетектированный сигнал поступает на регистрирующее устройство. Диафрагма может быть использована для исследования распределения поляризации в поперечном сечении пучка излучения. Модулятор предназначен для увеличения чувствительности поляриметра.

Исследуемый параметр – степень поляризации, вычисляется по выражению , при этом регистрируется устройством 6 при установке анализатора в положение максимального и минимального пропускания. Положение плоскости преимущественных колебаний определяется по шкале анализатора при установке его в положение минимального пропускания.

При этом угол  между плоскостью поляризации излучения, падающего на анализатор, и плоскостью пропускания анализатора по закону Малюса равен . В этом выражении – поток линейно-поляризованного излучения, падающего на анализатор; – поток излучения, вышедший из анализатора;  – угол между направлением колебаний, падающих на анализатор и направлением колебаний, пропускаемых анализатором.

На рис. 55 приведена зависимость изменения потока излучения, прошедшего через анализатор от угла его поворота  относительно плоскости поляризации исследуемого излучения.

Рис. 55. Зависимость изменения потока излучения, прошедшего

через анализатор от угла его поворота относительно плоскости

поляризации исследуемого излучения

Из приведенной зависимости видно, что определение положения плоскости преимущественных колебаний исследуемого излучения по минимуму и максимуму выходного сигнала производится с большой погрешностью, поскольку при значениях угла поворота  близких к 0 или /2 малые изменения  вызывают незначительные изменения потока излучения, прошедшего через анализатор. Большую чувствительность и точность измерений можно получить при применении метода симметричных углов. Этот метод отличается тем, что для более точного определения положения анализатора, соответствующего минимуму сигнала, его дважды устанавливают симметрично этому положению. При этом, в общих случаях, регистрирующий прибор покажет одинаковое значение выходного сигнала. Положение анализатора, соответствующее минимуму выходного сигнала, определяют как среднее арифметическое двух симметричных углов для каждого из измерений.

Другим способом уменьшения погрешности измерений и увеличения чувствительности является использование модулятора излучения, периодически изменяющего по определенному закону азимут колебаний исследуемого излучения на некоторый угол (2–5)⁰. При применении модулятора на эффекте Фарадея, исследуемое излучение модулируется по поляризации и выходящий после анализатора поток периодически изменяется и в соответствии с законом Малюса определяется выражением:

,

где  – угол, на который поворачивается плоскость поляризации исследуемого излучения, падающего на анализатор, под действием модулятора; к – коэффициент пропускания анализатора, если угол  = 90⁰.

Если модулятор Фарадея питать переменным током с частотой f, то угол  изменяется по синусоидальному закону , где , ₀ – угловая амплитуда колебаний плоскости поляризации.

На рис. 55 приведены кривые 1 и 2 изменения потока излучения на выходе анализатора при модуляции излучения за один период, для случая  = /2 и . Изучив формы этих кривых, можно сделать вывод, что для углов , лежащих в промежутке и , частота изменения потока излучения равна частоте тока, питающего модулятор. Только для углов  = 0, /2 и  и т. д. частота изменения потока удваивается. Углы  = 0 и  не используют при измерениях, так как при таких положениях анализатора глубина модуляции излучения слишком мала, вследствие чего невозможна точная установка анализатора.

Таким образом, при повороте анализатора угол  меняется, и по мере приближения к /2 доля составляющей, имеющей частоту изменения азимута, т. е. первой гармоники уменьшается, а доля составляющей с удвоенной частотой (вторая гармоника) увеличивается. Когда угол  станет равным /2, наступает момент измерения. При этом из сигнала исчезает первая гармоника и, следовательно, частота изменения потока излучения, выходящего из анализатора удвоится. Первая гармоника уменьшается быстрее, чем нарастает вторая, и наибольшая чувствительность получается при наблюдении за первой гармоникой. Поэтому в поляриметрах обычно применяют фотоэлектрический приемник с узкополосным усилителем, настроенным на частоту тока, питающего модулятор.