Измерительные схемы на базе магнитооптических эффектов

 

Элементы установки для исследования магнитооптических эффектов.

Общая схема установки.

 

Поляризованный луч света, образуемый с помощью источника света (лазер) и поляризатора, проходит через магнитное поле в оптически активном веществе. После анализатора свет попадает в фотоприемник, где он преобразуется в электрический сигнал, измеряемый прибором.

 

Источники светового потока.

Источники светового потока - технические устройства различной конструкции и различными способами преобразования энергии, основным назначением которых является получение светового излучения (как видимого, так и с различной длиной волны, например, инфракрасного). В источниках света используется в основном электроэнергия, но также иногда применяется химическая энергия и другие способы генерации света (например, триболюминесценция, радиолюминесценция, биолюминесценция и др.).

Типы источников света

· Для получения света могут быть использованы различные формы энергии, и в этой связи можно указать на основные виды(по утилизации энергии) источников света.

· Электрические: Электрический нагрев тел каления или плазмы. Джоулево тепло, вихревые токи, потоки электронов или ионов.

· Ядерные: распад изотопов или деление ядер.

· Химические: горение (окисление) топлив и нагрев продуктов сгорания или тел каления.

Электролюминесцентные: непосредственное преобразование электрической энергии в световую (минуя преобразование энергии в тепловую) в полупроводниках (светодиоды, лазерные светодиоды) или люминофорах, преобразующих в свет энергию переменного электрического поля (с частотой обычно от нескольких сотен Герц до нескольких Килогерц), либо преобразующих в свет энергию потока электронов (катодно-люминесцентные)

Триболюминесцентные: преобразования механических воздействий в свет.

Биолюминесцентные: бактериальные источники света в живой природе.

 

Поляризаторы.

Поляризатор — вещество, позволяющее выделить из электромагнитной волны (естественный свет является частным случаем) часть, обладающую желаемой поляризацией при пропускании его сквозь или отражении от поверхности, получая проекцию волны на плоскость поляризации. Они используются в поляризацио́нных фильтрах. В радиотехнике и в быту под поляризатором понимается устройство для преобразования вертикальной или горизонтальной поляризации в круговую (эллиптическую) или наоборот. В антеннах в качестве поляризаторов используют волноводы с вкрученными винтами.

Поляризационный фильтр — устройство для получения полностью или частично поляризованного оптического излучения из излучения с произвольными поляризационными характеристиками.

Поляризаторы обычно изготавливают из кристаллов, обладающих особыми свойствами (двулучеприломлением), подробнее об этом будет рассказано далее.
Таковым является н.п. кристалл турмалина (или кварца): он пропускает световые волны с колебаниями электрического вектора Е (и соответственно, магнитного B), лежащими в какой-то одной определенной плоскости (рис. 4.6. 1).

Рис. 2.1 Действие поляризатора.

Убедиться в том, что свет, прошедший через кристалл оказался плоскополяризованным, можно с помощью другого кристалла турмалина, играющего роль анализатора - устройства, позволяющего обнаружить положение плоскости, в которой происходят колебания вектора E в линейно поляризованном свете (рис. 4.6.2.)

Рис. 4.6.2. Действие анализатора.

а) при параллельных осях кристаллов поляризатора и анализатора свет полностью проходит;
б) свет постепенно гасится, если угол между осями приближается к 90°;
в) свет полностью гасится в анализаторе.

Двупреломляющие поляризаторы
Поляризаторы обычно изготавливают из кристаллов, имеющих необычные оптические свойства, а именно - двойное лучепреломление (когда вошедший в такой кристалл луч света преломляется, то помимо преломленного обыкновенного луча, появляется еще и так называемый необыкновенный луч. Такое поведение луча света обусловлено именно особым строением некоторых кристаллов, н.п. исландского шпата или кварца). Разумеется, сами по себе кристаллы не используются в качестве поляризаторов. Из них изготавливают призмы и соединяя их в различные комбинации в зависимости от поставленной задачи, используют как поляризаторы - устройства, пропускающие свет в одном направлении, и не пропускающие в другом (в направлении, перпендикулярном направлению оптической оси кристалла).

Поляризатор характеризуется такими величинами:
1) поляризующая способность (степень поляризации, которую создавал бы поляризатор, если бы падающий луч был неполяризован).
2) два главных пропускания: k1 - когда отношение Iпрошедш / Iпад максимально, где I -интенсивность прошедшей и соответственно падающей волны, и k2 - когда оно минимально. Считается очень хорошими показатели k1=1 и k2= 0.

Приведем несколько примеров таких двупреломляющих поляризаторов. Конечно, существует много различных вариантов комбинаций призм, которые конструируются под конкретные задачи, но можно сказать, что описанных выше призм для ознакомления достаточно.

1) Призма Аренса.
Была придумана в 1886 г. и состоит из 3-х призм исландского шпата.
Р=0,99999, где Р - поляризующая способность. Особенность: имеет большой рабочий интервал углов, высокая линейная апертура (относительно длины). Используется в поляризационных микроскопах.

2) Призма Волластона.
Особенность: на выходе получаем два ортогонально поляризованных пучка.
А именно: падающий луч делится призмой на две поляризованные компоненты и обе пропускает в разные стороны. Применяется в астрономии.

3) Призма Глана-Фуко.
Особенность: состоит из двух призм, отделенных друг от друга воздушным зазором. Оптические оси перпендикулярны падающему пучку
света и верхней грани. Применяется для ультрафиолетового, инфракрасного и видимого диапазонов.

4) Призма Тейлора - модифицированная призма Глана-Фуко.
Оптические оси обеих призм параллельны верхней грани и той, которая является входной.

5) Призма Николя.
Это скорее классический пример, о котором стоит упомянуть, но рассматривать подробнее не будем, так как призма Николя уже не используется, в виду наличия более эффективных устройств.

4.6.3 Анализаторы.

Анализатор в оптике - поляризатор, предназначенный для определения состояния поляризации света(степени поляризации, степени эллиптичности и т. п.) или для регистрации ее изменений. В качестве анализаторов используются линейные, циркулярные (круговые) или эллиптические поляризаторы. Интенсивность света, прошедшего через анализатор, в общем случае не позволяет полностью идентифицировать состояние поляризации светового пучка. Поэтому для идентификации используются результаты нескольких измерений, проведенных с различными анализаторами (линейными и круговыми). Однако во многих случаях неизвестным или меняющимся во времени является лишь один из параметров состояния поляризации света, например, эллиптичность при известных азимутах полуосей эллипса поляризации или азимут плоскости поляризации линейно-поляризованного света. Анализатор, установленный в фиксированном положении, позволяет получить всю требуемую информацию о состоянии поляризации пучка.

В оптических схемах с фотоэлектрической или визуальной регистрацией анализатор обычно используется для преобразования временных или пространственных изменений состояния поляризации светового пучка в соответствующие изменения интенсивности.

4.6.4. Световоды.

Световод - (волновод оптический) - закрытое устройство для направленной передачи света. В открытом пространстве передача света возможна только в пределах прямой видимости и ограничивается начальной расходимостью излучения, поглощением и рассеянием в атмосфере. Переход к световодам позволяет значительно уменьшить потери световой энергии при её передаче на большие расстояния, а также передавать световую энергию по криволинейным трассам.

Разработаны разнообразные типы световодов, среди них - линзовые (зеркальные), представляющие собой систему заключённых в трубу и расположенных на определённых расстояниях линз (зеркал), полые металлические трубы и другие, однако они не нашли широкого применения.

Наиболее перспективный и широко применяемый тип световода гибкий диэлектрический волоконный световод (с низкими оптическими потерями), позволяющий передавать свет на большие расстояния. В простейшем варианте он представляет собой тонкую нить из оптически прозрачного материала, сердцевина которой радиуса a₁ имеет показатель преломления n₁, а оболочка с радиусом а ₂ имеет показатель преломления п ₂ <п ₁(рис. 2.3.).В приближении геометрической оптики лучи, входящие в сердцевину под достаточно малыми углами к оси световода, испытывают полное внутреннее отражение на поверхности раздела сердцевины и оболочки и распространяются только по сердцевине.

Рис. 4.6.3. Поперечное сечение волоконного световода.

4.6.5. Регистрирующее устройство.

Регистрирующее устройство (регистратор) — прибор для автоматической записи на носитель информации данных, поступающих с датчиков или других технических средств. В измерительной технике — совокупность элементов средства измерений, которые регистрируют значение измеряемой или связанной с ней величины. В регистрирующих устройствах обычно предусматривается возможность привязки записываемых значений параметров к шкале реального времени.

Виды регистрирующих устройств.

· Устройства с регистрацией информации в визуальной форме

· Цифропечатающие устройства

· Аналоговые регистрирующие устройства — информация записывается в виде графиков, диаграмм

· Устройства с регистрацией информации в электронном (безбумажном виде)

· Аналоговые регистрирующие устройства — информация записывается в аналоговом виде на электронном носителе, обычно магнитной ленте. В настоящее время применяются редко, постепенно заменяются на цифровые устройства

· Цифровые регистрирующие устройства — информация записывается в цифровом виде.

Примечание: ранее в качестве средств регистрации использовались также перфораторы — устройства для записи цифровой двоичной информации механическим способом — на перфокартах, перфолентах.