ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.10.2024
Просмотров: 57
Скачиваний: 0
Франка — Риттера. Углы т) и q отсчитывались по лимбу с оку лярным микрометром, цена наименьшего деления которого со ставляет 0,002°. Сигнал с фотоумножителя поступает на резо нансный усилитель, настроенный на частоту, с которой проис ходят колебания поляризатора. Индикатором служит осцилло граф. Были измерены разности фаз, возникающие в тонких слюдяных пластинках, заклеенных между стеклянными кли новидными пластинками. Для таких объектов для разностей
фаз, меньших — рад, погрешность ряда измерений составляет
|
8 |
|
|
|
2 - 10_ 4 ради |
для |
разностей |
фаз, близких к |
— рад, около |
4-10~4 рад. |
Такая |
точность измерений обеспечивается тща |
||
тельной установкой |
плоскостей двупреломляющего объекта |
|||
под углом 90° по отношению |
к оси падающего |
пучка лучей. |
||
Отклонение плоскостей от этого положения на 30' вызовет по грешность измерения, превышающую 4 - 10-4 рад.
Для исследования свойств поверхностей разработаны фото электрические эллипсометры [146— 149].
На приборах для исследования эллиптически поляризован ного света можно получить высокую точность измерения только при использовании совершенных поляризационных устройств (поляризатор, компенсатор и анализатор), их пра вильной взаимной ориентировке, а также при правильной установке исследуемых образцов. Должна быть также обеспе чена высокая чувствительность анализирующего поляризаци онного устройства [150— 159]. При этом, чем меньше рассеян ного света падает на фотоэлектрический приемник, тем выше чувствительность установки.
Количество рассеянного света зависит от числа двупреломляющих деталей на пути лучей в приборе и от их качества. Желательно, чтобы в приборах высокой точности число двупреломляющих деталей на пути лучей было возможно мень шим и погрешность отсчетного приспособления была меньше чувствительности поляризационного устройства.
Методы и средства поверки эллипсометров еще не разра ботаны. Возможность применения для этой цели фазовых пластинок с постоянной или переменной разностью фаз [160] еще предстоит подтвердить экспериментальными исследова ниями.
Глава . V
ИЗМЕРЕНИЕ КРУГОВОГО ДИХРОИЗМА
При изучении структур аосиметрнчиых молекул .измеряют круговой дихроизм [30, 31] в видимой и ультрафиолетовой об ластях. спектра. Дихроизм наблюдается в тех участках спектра ■поглощения исследуемого вещества, где поглощение значи тельно. Поэтому при измерении дихроизма необходимо исполь зовать яркие источники света.
Рис. 66. Схема днхрографа
Для измерения дихроизма применяют как визуальные при боры — поляриметры с компенсаторами Сенармона, эллипсометры [161], так и фотоэлектрические — двухлучевые спектро фотометры [162] с приставками в виде правого кругового поля ризатора и кюветы на пути одного пучка и левого кругового поляризатора и кюветы на пути второго пучка.
В последние годы для измерения кругового дихроизма со зданы приборы, называемые дихрографами [163— 165]. Область спектра, используемая в дихрографе [166], 220—800 нм. Источ
ник света сменный — вольфрамовая |
и водородная |
лампы. |
||
Свет источника 9 (рис. |
66) проходит монохроматор 7, |
поляри |
||
зационную призму Рошона 10, где разделяется |
на два пучка |
|||
лучей — обыкновенных |
и необыкновенных. Необыкновенные |
|||
лучи задерживаются диафрагмой 12. |
На пути |
лучей далее |
||
135
стоит пластинка кристалла ADP 11, к которой приложено си нусоидальное электрическое напряжение, кювета 13 с иссле дуемым дихроичиым веществом и фотоумножитель 1.
Пластинка 11 расположена так, что плоскость поляриза
ции падающего на нее света составляет угол — рад с главны-
4
ми направлениями, возникающими при приложении к пла стинке напряжения. Прошедший пластинку свет приобретает переменную во времени разность фаз, определяемую выраже нием
о = bV0sin |
= o0ut, |
|
|
где Ь — коэффициент, зависящий |
от длины |
волны |
света; |
Vo — амплитуда приложенного напряжения; |
60— амплитуда |
||
разности фаз (для данной длины волны). |
|
|
|
В один полупериод разность фаз бц например, положитель |
|||
на, и из пластины выходит свет с правой поляризацией. |
В дру |
||
гой полупериод, когда напряжение меняет знак, разность фаз 62 также меняет знак, и свет становится левополяризованным.
Переменное напряжение с амплитудой V0 (порядка не скольких киловатт) создает определенную амплитуду колеба ний разности фаз 6о, при которой в течение полупериода мож но считать с достаточным приближением поляризацию круго вой. Автоматическое изменение напряжения поддерживает круговую поляризацию по всему спектральному диапазону из мерений.
Таким образом, поток излучения, выходящий из пластины, разделен во времени на два — с правой Фп и левой Фл поля ризацией. Эти потоки за целый период изменения напряжения в сумме равны потоку Ф0, выходящему из поляризатора 10:
Фл= - у U -Ь sinо2);
Фп = - j- ( l — sinBj),
где 6i= — б2.
Если поглощение в исследуемом веществе 13 для Фл и Фп одинаковое, то в фотоумножителе возникает только постоян ный сигнал. Так как исследуемое вещество обладает враща тельным дихроизмом, то потоки поглощаются по-разному, и поток излучения, падающий на фотоумножитель 1,
Ф' = ф ’ + ф^ = [е~кл 4- e~V 4-
-Т (е~кл' —■e~V ) sin (о0sin «>£)].
136
Поток Ф ' состоит из постоянной и переменной частей:
Фототок, возникающий в фотоумножителе, в соответствии
•с потоками можно разделить на две составляющие: постоян ную и переменную. Переменная составляющая мала по -сравнению с постоянной. Переменный сигнал изменяется не синусоидально, поскольку кроме 'основной частоты в нем имеются нечетные гармоники, но амплитуда этих гармоник уменьшается очень быстро (последняя гармоника, которую следует учитывать, имеет частоту 5со). Сигнал с фотоумножи теля поступает в усилитель 2, затем фильтр 3 отделяет пере менную составляющую от постоянной, и переменная состав ляющая усиливается в усилителе 4, откуда попадает в детек тор 5 и фильтр 6. Отфильтрованный и выпрямленный сигнал прямо пропорционален величине потока ФПер.
Далее измеряют отношение выпрямленного сигнала £ Выпр к постоянному £„ост, зависящему от ФПост и поступающему из усилителя 2. Это отношение является мерой кругового дихро изма:
(63)
ПОСТ
где К — коэффициент пропорциональности.
При исследованиях растворов чаще измеряют молекуляр ные показатели поглощения е. Поток излучения после про хождения поглощающего вещества с молекулярным поглоще нием s определяется следующим образом:
Ф' = Ф0Ю“ ге' , |
(64) |
где с — молярная концентрация раствора; I — длина |
кюветы |
с образцом, см; ес/=£> — оптическая плотность. |
|
Тогда формула (63) преобразуется |
|
где К 1 — коэффициент пропорциональности; |
|
К — гп) с/ = Dn — Du. |
|
Величина ДD = Da —Da называется дихроичной оптической плотностью, или оптической плотностью кругового дихроизма.
137
I
Круговым дихроичным
а ЛD
As = ел — sn = — средним cl
поглощением называют величину
поглощением — величину еср=
____£ л - f - £ П |
|
|
2 |
р |
|
Отношение |
||
измеряют с помощью потенциометра-са- |
Е пост
мописца 5. Напряжение Евыир подается на скользящий кон такт, который останавливается с помощью сервомеханизма при равенстве напряжений £ Выпр и ЯпостПри этом перо само писца делает отметку.
Для регистрации дихроизма разных знаков предусмотрен усилитель — инвентор напряжения £Пост. С этого усилителя на конец потенциометра подают напряжение —Епост и на другой конец +£пост, причем в средней точке напряжение рав но нулю. Знак дихроизма определяется положением кривой относительно средней линии регистрограммы, соответствую-
.щей средней точке потенциометра. Напряжение ЕПОСт зависит от яркости источника света и его спектрального распределе ния, ширины щелей монохроматора, среднего поглощения об разцов по спектру, спектральной чувствительности катода фо тоумножителя и пропускания оптической системы. Нормаль ная работа регистрирующего потенциометра возможна только в том случае, когда напряжение ЕПОет поддерживается посто янным. Для этой цели имеется устройство, изменяющее шири ну щели монохроматора в зависимости от длины волны.
Погрешность измерения на дихрографе зависит от погло щения образцов, формы кривой исследуемого кругового дих роизма, величины двойного лучепреломления в деталях опти ческой системы и в торцовых стеклах кювет, а также от чув ствительности катода фотоприемника. Для средних величин поглощения образцов, при которых можно работать с оптиче ской плотностью в пределах 0,5— 1,2, погрешность при измере нии с помощью дихрографа, согласно данным, приведенным авторами прибора, составляет около 0,0002 оптической плот ности кругового дихроизма. Дихрограф имеет три предела из мерения: 0,07, 0,08 и 0,0375 единиц оптической плотности кру гового дихроизма; максимальная допускаемая оптическая плотность равна 2.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Перспективы применения поляризационных приборов очень широки. Измерения параметров, характеризующих поляри зованную световую волну после ее взаимодействия с вещест вом, открыли исследователям большие возможности в изуче нии различных свойств веществ. Благодаря развитию оптики и электроники разработаны методы и созданы разнообразные измерительные приборы, которые непрерывно совершенст вуются.
Можно указать на следующие современные тенденции в разработке методов и приборов для поляризационных изме рений.
В области объективной поляриметрии с целью повышения точности измерений предпочитают пользоваться кюветами ма лой длины (до 10 мм) и монохроматическими источниками излучения с монохроматорами (иногда даже оптическими квантовыми генераторами [167]). Для модуляции потока излу чения наибольшее распространение получили модуляторы, основанные на эффекте Фарадея. В качестве сердечников для модуляторов перспективно применение синтезированных фер ромагнитных кристаллов [95].
Визуальные поляриметры в ближайшее время еще не поте ряют своего значения. Современные модели точных поляри метров делают, как правило, с переменным углом полутени, приборы снабжают монохроматическими источниками света с монохроматорами, а переносные, менее точные, поляримет ры снабжают монохроматическими источниками света с филь трами или лампами накаливания с 'интерференционными фильтрами.
В объективной спектрополяриметрви стремятся повысить точность измерений для образцов с оптической плотностью не менее 2, расширить спектральные диапазоны приборов, начи ная от вакуумного ультрафиолета и кончая ближней инфра красной областью спектра. С этой целью применяют в качест ве поляризаторов и анализаторов призмы из различных кри сталлов, главным образом синтетических. Предпочтение отдается модуляторам без механически колеблющихся узлов.
139
В качестве компенсаторов для измерения малых углов вра щения наиболее удобны компенсаторы, основанные на эффек те Фарадея, так как они позволяют избежать дополнительных вибраций прибора от мотора, вращающего один из поляриза торов. Предпочтительно пользоваться мощными источниками света со сплошным спектром, например, ксеноновой лампой, и обязательно двойными монохроматорами. При этом жела тельно, чтобы ширина выделяемого спектрального интервала была не больше 1 нм. Весьма существенна стабилизация из лучения источника света во времени и пространстве: необходи мо поддерживать положение светящегося столба постоянным по отношению к входной щели монохроматора. Стремятся также к тому, чтобы погрешность епектрополяриметрических измерений не превышала нескольких тысячных градуса во всем спектральном диапазоне прибора, учитывая при этом, что следы двойного лучепреломления в окнах кювет или плен ки на этих окнах могут осуществлять поворот плоскости по ляризации на угол порядка нескольких тысячных градуса.
Эллипсометрия в последние годы применяется для самых разнообразных исследований. Особенно большое количество методов измерений и измерительных установок предложено для работ в отраженном свете с целью изучения состояния по верхности, измерений параметров тонких пленок, а также для исследований напряжений. Применяют как визуальные, так и объективные приборы. При создании современных объектив ных приборов для спектрального диапазона от ультрафиоле товой до инфракрасной областей используют устройства, по добные устройствам, применяемым в поляриметргх и епектрололяриметрах.
Метрологические работы в области поляризационных изме рений позволили установить в нашей стране методы поверки поляриметров и сахариметров, работающих в видимой обла сти спектра. Как стабильные меры угла вращения плоскости поляризации вполне оправдали себя поляриметрические квар цевые пластинки. Их применяют в качестве образцовых мер при поверке визуальных и объективных поляриметров и саха риметров. Пластинки, предназначенные для -поверки точных визуальных и объективных поляриметров и спектрополяриметров необходимо изготовлять в 2—3 раза точнее, чем пла стинки, широко применяемые в настоящее время для повер ки поляриметров средней точности.
Серьезный вопрос, подлежащий разрешению в ближайшее время, состоит в разработке и изготовлении мер для поверки спектрополяриметров, имеющих малые пределы измерения углов вращения в ультрафиолетовой области спектра, а так же методов аттестации этих мер.