С Свелеба, І Куньо, І Катеринчук - Автоматизована установка з вимірювання величини повороту оптичної індикатриси - страница 1

Страницы:
1 

ВІСНИК ЛЬВІВ. УН-ТУ

Серія фізична. 2008. Вип.41. С.267-274

VISNYKLVIV UNIV. Ser.Physic. 2008. № 41. P.267-274

УДК 537.94

PACS number(s): 77.80Bh, 78.20.Fm

АВТОМАТИЗОВАНА УСТАНОВКА З ВИМІРЮВАННЯ ВЕЛИЧИНИ ПОВОРОТУ ОПТИЧНОЇ ІНДИКАТРИСИ

С. Свелеба, І. Куньо, І. Катеринчук, О. Семотюк, І. Карпа, В. Куньо, Ю. Панківський1

Львівський національний університет імені Івана Франка, факультет електроніки, кафедра нелінійної оптики вул. ген. Тарнавського 107,79017 Львів, Україна e-mail: sveleba@electronics.wups.lviv.ua 1 Національний лісотехнічний університет України , кафедра екології вул. О. Кобилянської 1, 79005 Львів, Україна e-mail: pankivyu@lvivonline. com

Описано автоматизовану поляризаційно-оптичну установку з вимірювання величини кута повороту оптичної індикатриси. Показано, що експериментальне дослідження величини повороту оптичної індикатриси за величиною інтенсивності світлового променя характеризується незначною похибкою експерименту ~1% (при X 3X

и < ) та високою швидкістю вимірювання (3 точки/с).

8d 8d

Ключові слова:    оптична   індикатриса, двопроменезаломлення, залишкова інтенсивність, фазові переходи, неспівмірна фаза.

У низці праць [1-3] простежували появу в неспівмірній фазі повороту оптичної індикатриси. Однак при цьому автори не зазначили тієї обставини, що точкова група неспівмірної фази збігається з точковою групою високотемпературної - вихідної фази, яка забороняє виникнення повороту оптичної індикатриси. Отже, спостереження, які зроблені в [1-3], не збігаються з відомим положенням макроскопічної кристалофізики, згідно з яким симетрія тензорних властивостей кристала визначається його точковою групою [4, 5]. В умовах розгляду неспівмірної фази, як послідовності метастабільних станів (довгоперіодичних фаз), точкова група симетрії цих станів не збігається з точковою групою вихідної фази [6], а є її підгрупою [7]. За цих умов у неспівмірній фазі потрібно очікувати повороту оптичної індикатриси, зокрема його немонотонну залежність.

Прецизійні оптичні дослідження, які проведені в роботі [8] для кристалів ВССБ, дали підстави виявити незначний поворот оптичної індикатриси (~1'-2') навколо осі b, який виникає зразу після Ті і існує як в НС фазі, так і в співмірних довгоперіодичних фазах.

© Свелеба С., Куньо І. та ін., 2008

Вклад повороту оптичної індикатриси в приріст двозаломлення виміряний з допомогою компенсатора Сенармона.

На рис. 1. показано температурну залежність приросту оптичного лінійного двопроменезаломлення 5(AnO для кристалів [N(CH3)4]2ZnCl4 в діапазоні, що охоплював НС фазу та температурну область вихідної фази, де є скорельований рух тетраедричних груп [9]. На температурній поведінці 5(Ant) у вихідній фазі спостерігається зміна нахилу залежності 5(Anc)~f(7) при Т =345К. Далі з пониженням температури 5(Anc)~f(7) є нелінійною аж до фазового переходу в НС фазу. Про внесок у 5s(Anc)~f(T) повороту індикатриси засвідчує температурна залежність залишкової інтенсивності (див. рис. 1.). Згідно з рис. 1 величина залишкової інтенсивності зростає у разі наближення до Ті. Для обґрунтування цього розглянемо вклад повороту оптичної індикатриси у двозаломлення.

Рис. 1. Температурна залежність двозаломлення 5(Дис) і залишкової інтенсивності Із для кристалів [N(CH3)4]2ZnCl4 попередньо відпалених у діапазоні температур 340-360К, де й відбувалось юстування системи

Метод Сенармона забезпечує високу точність вимірювання приростів оптичного двозаломлення 5(Дп) і ґрунтується на аналізі еліптичної поляризації світла, що виходить з досліджуваного зразка. Загалом, еліптично поляризоване коливання отримують унаслідок складання двох лінійно поляризованих коливань з амплітудами a і b, між якими є певна різниця фаз 5ф і взаємно перпендикулярні напрями поляризації.

Зв'язок різниці фаз з величиною кута повороту нової системи координат у цьому методі можна подати у вигляді:

Остання рівність не залежить від 5ф при значеннях величини кута між лінійно -поляризованим світлом та кристалооптичними осями досліджуваного зразка Р=45°, тоді і 6=45° (рис. 2).

tg2f = ЖРг Aos г,

ф

(1)

Рис. 2. Складання   двох   коливань,   лінійно   поляризованих у взаємноперпендикулярних напрямах з деякою різницею фаз

У реальному експерименті повного погасання, передбаченого умовами (1), досягнути не вдається. Просвітлення системи, що виникло в процесі зміни температури зразка - залишкову інтенсивність (Із), виходячи з виразу (1), можна пояснити випадком, коли р^45°. Це свідчить про поворот оптичної індикатриси досліджуваного кристала.

Незначна величина повороту оптичної індикатриси у неспівмірній фазі ставить вимоги до методики її дослідження та точності вимірювань кута повороту (ер). З огляду на це розглянемо поляризаційно-оптичний метод досліджень ер, оскільки цей метод при врахуванні похибок (конструктивних, якості обробки зразка) дозволяє проводити прецизійні дослідження р .

Даний метод забезпечує високу точність вимірювання кута повороту оптичної індикатриси, він ґрунтується на аналізі інтенсивності світла, який пройшов через систему: поляризатор-кристал-аналізатор, виставлених у схрещене положення.

З метою проведення досліджень було створено автоматизовану поляриметричну установку, що зображена на рис. 3.

Як джерело світла використовують малопотужний газовий лазер ЛГН-105 з довжиною хвилі генерації Х=6328А та з високим ступенем монохроматичності світла Д^10-2А. Поляризуючими пристроями є призми Глана-Томсона, ступінь поляризації світла яких становить 99,999%. Як відлікового пристрою (не в автоматичному режимові роботи) використовували лімб теодоліта, який має розрахунок кутової координати з точністю 20 кут.сек. Напругу на пічці задають програмно, що дало змогу отримати різні закони зміни температури. Відлік проводять так: при запуску обладнання встановлюють нульову точку інтенсивності. Для цього вручну оптичну схему ставлять у положення повного погасання поля зору. Потім починається автоматичне керування установкою, яка знаходить мінімум оптичного сигналу, що потрапив крізь аналізатор. Цей процес відбувається так: протягом 40 кроків вимірюють кут повороту індикатриси та амплітуди сигналу на контрольному виході ППВП. Гармонічний сигнал з контрольного виходу ППВП за допомогою амплітудного детектора перетворюється в постійну напругу, значення якої визначаються АЦП. Ці дані

ЦАП

АЦП

І

АЦП

КАМАК

ПЕОМ

Рис. 3. Функціональна схема автоматизованої поляризаційної установки для вимірювання повороту оптичної індикатриси. П - поляризатор, К - кріостат з досліджуваним кристалом, комірка Фарадея, А -аналізатор, БЖ - блок живлення, У - система керування «Утрекс», КМ-компаратор, М - двигун, ППВП - підсилювач перетворювач вимірювального пристрою, Тр.1 і Тр.2 -трансформатори. ЦАП - цифро-аналоговий перетворювач; АЦП - аналогово-цифровий перетворювач; ДКД драйвер крокового двигуна; ПЕОМ -персональна електронно-обчислювальна машина

разом із значенням інтенсивності світла у мінімумі погасання поміщаються в масив. Після цього вимірюють величину інтенсивності світла зі швидкістю 3 точки за секунду при зміні температури зразка. Для підвищення точності вимірювань qqs юстування системи проводили у вихідній фазі поза температурним інтервалом існування скорельованого руху тетраедричних груп [10, 11] (для кристала [N(CH3)4]2ZnCl4 Т>Т =370 K). З метою підвищення швидкодії відшукання експериментальних результатів (dT/dt = 3 точки/с) проводили температурне дослідження інтенсивності світла. Під час перерахунку величини залишкової інтенсивності світла (I) у поворот оптичної індикатриси qqs використовували експериментальну залежність /~f((ps) (рис. 4), отриману за кількох температур (яка охоплювала як вихідну, неспівмірну і співмірні фази). Цю залежність описували поліномом другого рангу, а величини отриманих коефіцієнтів використовувались під час перерахунку І в (qs:

І=ІсВ^іп2ф, (2)

де В1 - коефіцієнт перерахунку.

За умови малих величин кута повороту оптичної індикатриси (ф<50), вираз (2) можна подати у вигляді:

І=І0В1ф2. (3)

Точність вимірювання зазначеним методом залежить від монохроматичності світла, якості поляризаційних призм і точності вимірювання інтенсивності світла.

За умови забезпечення перелічених вище умов відносну похибку експерименту можна отримати, провівши послідовне логарифмування та диференціювання виразу (3):

ф 1

де I = 10 sin § sin -. Згідно з виразом (4) відносна похибка експерименту

X

становить 0,01-0,05 град.

Також для підвищення точності вимірювання мінімального значення залишкової інтенсивності світла використовують комірку Фарадея з магнітооптичним модулятором, виготовленим зі скляного стержня (марка скла ТФ - 5) завдовжки 10 см. На комірку через трансформатор ТР-1 від мережі подають змінну напругу 60-100 В і частотою f=50 Гц. Сигнал тієї ж частоти величиною напруги ~1В з трансформатора ТР-2 подають як опорний сигнал на вхід підсилювача-перетворювача вимірювального пристрою УПИ-1, що працює у режимі синхронного детектора. Під час неповного довороту аналізатора до положення повного погасання промодульований частотою 50 Гц світловий потік потрапляє на фотоприймач ФЕП-62, заживлений блоком БЛБНР-23-05, де світловий сигнал перетворюється в електричний сигнал тієї ж частоти, підсилюється і аналізується за допомогою УПИ-1 і візуально контролюється на осцилографі СІ-68 і нуль індикаторі УПИ-1.

На екрані осцилографа простежено синусоїд з частотою ю (50 Гц), а стрілка мікроамперметра нуль-індикатора УПИ-1 відхилена від центрального положення. Під час наближення до положення повного погасання на екрані осцилографа простежено лише другу гармоніку з частотою 2ю і стрілка нуль-індикатора УПИ-1встановлюється в центральне положення. У цей момент вимірюють мінімальне значення залишкової інтенсивності.

Керування установкою здійснюють за допомогою системи КАМАК під управлінням спеціально розробленої мовою Turbo Pascal v.7.0 програми. У написанні використано принцип структурного програмування: програма будується на основі спеціально розроблених процедур, які дозволяють виконувати одну з елементарних функцій. Процедури розроблені на основі стандартних процедур управління блоками КАМАК.

Розраховують кутову координату з точністю 20 кутових секунд.

Нестабільності температури, інтенсивності лазерного пучка та інші випадкові чинники [12] кожний момент часу по-різному впливатимуть на положення експериментальної точки, отже реалізується рандомізація, тобто переведення систематичної похибки у випадкову.

Відомо [9], що інтенсивність світлового сигналу, який пройшов через систему поляризатор-кристал-аналізатор, можна описати виразом:

.2 s • 2 2nAnd I = 10 sin i sin -, (5)

X

2nAnd     „ , ....

За умови -<< 2л малості деформації еліпса поляризаційних констант вираз

X

(5) можна подати у вигляді:

т   т 2nAnd

1 = hi X , (6) 2П

тобто I = constAnd, де const = I0i— . Відносну похибку експерименту можна

X

отримати, провівши послідовне логарифмування та диференціювання виразу (6):

AI = (constAnd)' = Ad + A(An)

I      constAnd      d An

При Ad=10-5, d=2><10"3 A(An)~10-7 An~10-4 отримаємо, що відносна похибка

експерименту становить близько 1%.

_ 2nAnd . 2nAnd

За умови, коли -> 2п, то  I = const sin-. Відносну похибку

XX

експерименту можна оцінити як:

AI    4п     ,2nAnd...... ч    .   . ,ч

= ctg(-)(dA(An) + AnAd). (8).

I XX

При An~10-4, d=2>10-3, X=6,33>10-7 величина dA(An) + AnAd «1,2x10~9.

Аналізуючи   вираз   (8),   за   умови,   коли   -1 < ctg (-) < 1, тобто

X

<An < -3X величина відносної похибки є порядка 1%.

8d8d

Показано, що поляризаційно-оптичний метод досліджень забезпечує високу точність вимірювання кута повороту оптичної індикатриси і ґрунтується на аналізі інтенсивності світла, яке пройшло через систему: поляризатор-кристал-аналізатор, виставлених у схрещене положення.

З метою підвищення швидкодії вимірювання експериментальних результатів (dT/dt = 3 точки/с) проводили температурне дослідження інтенсивності світла з допомогою автоматизованої установки. Для підвищення точності вимірювань cps у неспівмірній фазі, юстування системи проводилось у вихідній фазі поза температурним інтервалом існування скорельованого руху тетраедричних груп (7=370 K). Під час перерахунку величини інтенсивності світла (I) у поворот оптичної індикатриси cps використовували експериментальну залежність /~f(cps), отриману при кількох температурах. Цю залежність описували поліномом другого рангу, а величини отриманих коефіцієнтів застосовували при перерахунку І в cps Точність вимірювання величини кута повороту оптичної індикатриси становила 0,01-0,05 град.

1. Sveleba S., Kapustianik V., Polovinko I., Bublyk M., Zhmurko V. Behaviour of the optical indicatrix and small-angle light scattering in the case of "devil's staircase" // Phys. Status Solidi (B). 1994. Vol. 183. P. 291-298.

2. Санников Д.Г. Последовательность двух непрерывных переходов, ограничивающие одну несоразмерную фазу // Физика тв. тела. 1987. Т. 29.

Вып.1. С. 23-27.

3. Kamba S., Petzelt J., Dvorak V., Goncharov Yu.G., Volkov A.A., Kozlov G.V., Albers J. Far infrared spectroscopy of the phase-transition sequence in BCCD // Ferroelectrics. 1990. Vol. 105. P. 351-356.

4. Kushnir O.S. Crystal optical properties of incommensurate phases in the plane-wave modulation region // J. Phys.: Condens. Matter. 1997. Vol. 9. P. 9259-9273.

5. Куньо І., Карпа І., Свелеба С., Катеринчук І. та ін. Поворот оптичної індикатриси в неспівмірній фазі кристалів [N(CH3)4]2ZnCl4 // Вісн. Львів. ун­ту. Сер. фіз. 2007. Вип. 40. С. 42-48.

6. Свелеба С., Куньо І., Катеринчук І., Семотюк О. та ін. Вплив напруженості електричного поля на модульовану структуру кристалів [N(CH3)4]2ZnCl4 //

Вісн. Львів. ун-ту. Сер. фіз. 2007. Вип. 40. С. 122-129.

7. Sveleba S., Kapustianik V., Polovinko I., Krochuk A., Bublyk M. Scattering of light on small angles in the conditions of devil's staircase existence within the incommensurate phase. // Phys. Status Solidi (B). 1994. Vol. 186. P. 289-302.

8. Kroupa J., Albers J., Ivanov N.R. Birefringence and indicatrix rotation in BCCD // Ferroelectrics. 1990. Vol.105. P. 345-349.

9. Polovynko I., Kaluza S. "Optychne wlasciwosci faz niewspolmiernych crystalow typu А2МХ4". Kielce, 1998. 320 c.

10. Гладкий В.В., Каллаев С.Н., Кириков В.А., Иванова Е.С. и др. Подавление сегнетоэлектричества малым механическим напряжением в кристаллах [N(CH3)4]2ZnCl4 и [N(CH3)4]2СоCl4 // Кристаллография. 1991. Т. 36. № 2. С.

458-462.

11. Свелеба С.А., Семотюк О.В., Катеринчук І.М., Фіцич О.І. Співіснування промодульованих фаз в кристалі [N(CH3)4]2ZnCl4 // Вісн. Львів. ун-ту. Сер. фіз.

Вип. 34. 2001. С. 56-60.

12. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. Л., 1974. 108 с.

С. Свелеба I. Куньо та ін.

THE AUTOMATIZED SETUP OF THE OPTICAL INDICATRIX ANGLE ROTATION MEASUREMENT

S. Sveleba, I. Kunyo, I. Katerynchuk, O. Semotyuk, I. Karpa, V. Kunyo,

Y. Pankivskiy1

Ivan Franko Lviv National University Department of Electronics, Non-linear Optics Chair gen. Tarnavskogo, 107, 79017 Lviv, Ukraine e-mail: sveleba@electronics.wups.lviv.ua 1National Ukrainian University of Forestry, Department of Ecology O. Kobylyanskoi 1, 79005 Lviv, Ukraine e-mail: pankivyu@lvivonline.com

The automatized optical-polarization setup of the optical indicatrix angle rotation measurement is studied. It has been shown, that the error of the experimental investigation of the optical indicatrix rotation, based on the light beam intensity

X 3X

measurement, is takes insignificant value ~1% (in the case of <An < ). The

8d8d

measurement rate is high - 3 points per second.

Key words: optical indicatrix, birefringence, residual intensity, incommensurate phase.

Стаття надійшла до редколегії 22.10.2007 Прийнята до друку 09.06.2008

Страницы:
1 


Похожие статьи

С Свелеба, І Куньо, І Катеринчук - Автоматизована установка з вимірювання величини повороту оптичної індикатриси

С Свелеба, І Куньо, І Катеринчук - Двозаломлювальні і діелектричні властивості кристалів [nch34bcucl4 у вихідній фазі