CN109520935A - 基于会聚偏光干涉实现的旋光度测量方法 - Google Patents

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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
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Abstract

本发明涉及一种基于会聚偏光干涉实现的旋光度测量方法，属于工业测量技术领域。会聚偏光干涉是通过单轴晶体的会聚光束形成的，光轴与单轴晶体的晶面垂直，偏振光束射入晶体时发生双折射现象，分解为有位相差的o光和e光，带有不同位相差的偏振光经过检偏器后，具有相同振动方向和振动频率的光线之间产生干涉并形成会聚偏光干涉图形，图形中的暗十字根据透明物质旋光度的大小旋转，通过四象限探测器对暗十字定位，实现对物质旋光度的测量，暗十字旋转的方向即为旋光方向。优点在于：无运动器件、测量模式与光功率的大小无关、自动确定旋光方向、分辨率高，实用性强。

Description

基于会聚偏光干涉实现的旋光度测量方法
技术领域
本发明涉及工业测量技术领域，特别涉及一种基于会聚偏光干涉实现的旋光度测量方法。
背景技术
旋光度测量技术在科研、工业、医疗等领域具有重要应用价值，有广泛的用途。如生命科学研究中核糖、核酸以及左旋氨基酸浓度的测量；制药工业中的产物分析和纯度检测；化学工业中光学活性组分分析；食品工业中的产品质量的实时监控；医疗和生化中酶作用的研究和血糖测定等等。
目前，旋光度测量一般为消光法，即基于光、机、电一体的设计，通过步进电机转动及检偏镜找到旋光效应的消光位置，由此来测量旋光度的大小。消光法测量旋光度的关键在于如何精确测量检偏镜的透射光强和如何判断旋光方向。传统的手动旋光仪采用半波片产生三分视界法测量光强，并通过改变样品浓度或样品管长度方法判断旋光方向，存在人为经验误差大、测试时间长、环境温度要求高等弊端；自动旋光仪普遍采用光电倍增管获取模拟光信号进行光强测量，通过交流信号相位判断旋光方向，同样存在模拟量识别误差大、处理电路复杂、硬件成本高等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于会聚偏光干涉实现的旋光度测量方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明无运动器件、测量模式与光功率的大小无关、自动确定旋光方向、分辨率高。本发明的测量原理基于透明物质的旋光性使线偏振光的偏振面产生旋转，利用锥光干涉原理将偏振面的旋转转化为干涉条纹的旋转，光斑旋转的方向即为旋光方向，通过四象限探测器对暗十字定位，实现对物质旋光度的测量。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
基于会聚偏光干涉实现的旋光度测量方法，会聚偏光干涉是通过单轴晶体的会聚光束形成的，光轴与单轴晶体的晶面垂直，偏振光束射入晶体时发生双折射现象，分解为有位相差的o光和e光，带有不同位相差的偏振光经过检偏器后，具有相同振动方向和振动频率的光线之间产生干涉并形成会聚偏光干涉图形，图形中的暗十字根据透明物质旋光度的大小旋转，通过四象限探测器对暗十字定位，实现对物质旋光度的测量，其中暗十字旋转的方向即为旋光方向。
光源1出射的光经起偏器2产生线偏振光，通过透明物质3时由于透明物质旋光性的作用，使线偏振光的偏振面发生旋转，旋转角度的大小与旋光度成正比，偏振光束经凸透镜A4聚焦后射入单轴晶体5，随之在单轴晶体5上产生双折射现象，分解为有位相差的o光和e光，会聚光束经凸透镜B6转换为平行光束，带有不同位相差的平行偏振光束经过检偏器7后，具有相同振动方向和振动频率的光线之间产生干涉并形成会聚偏光干涉图形，图形中的暗十字根据透明物质旋光度的大小旋转，通过四象限探测器8对暗十字定位，实现对透明物质旋光度的测量。
所述的暗十字旋转的方向即为旋光方向。
本发明的有益效果在于：
基于会聚偏光干涉原理将透明物质旋光度转化为光斑的旋转，并通过四象限探测器定位光斑暗条纹，计算光斑的旋转角度及方向，即可实现对透明物质旋光度的测量。本发明操作简单，测量模式与光功率的大小无关，能够自动确定旋光方向；且无运动器件，四象限探测器具有算法简单、分辨率高等优点，提高了测量的准确度，实用性强。
附图说明
附图说明用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的结构原理示意图；
图2为光强分布矢量图；
图3为本发明的会聚偏光干涉光斑。
图中：1、光源；2、起偏器；3、透明物质；4、凸透镜A；5、单轴晶体；6、凸透镜B；7、检偏器；8、四象限探测器。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图3所示，本发明基于会聚偏光干涉实现的旋光度测量方法，包括光源1、起偏器2、透明物质3、凸透镜A4、单轴晶体5、凸透镜B6、检偏器7、四象限探测器8，所述光源1设置在起偏器2的一侧，透明物质3设置在起偏器2有另一侧，凸透A4置于透明物质3和单轴晶体5之间，凸透镜B6设置在单轴晶体5的另一侧，检偏器7置于凸透镜B6和四象限探测器8之间；所述光源1出射的光经起偏器2产生线偏振光，通过透明物质3时由于透明物质旋光性的作用，使线偏振光的偏振面发生旋转，旋转角度的大小与旋光度成正比，偏振光束经凸透镜A4聚焦后射入单轴晶体5，随之在单轴晶体5上产生双折射现象，分解为有一定位相差的o光和e光，会聚光束经凸透镜B6转换为平行光束，带有不同位相差的平行偏振光束经过检偏器7后，具有相同振动方向和振动频率的光线之间产生干涉并形成会聚偏光干涉图形，图形中的暗十字根据透明物质旋光度的大小旋转一定的角度，通过四象限探测器8对暗十字定位，实现对透明物质旋光度的测量。
所述的暗十字旋转的方向即为旋光方向。
在旋光现象中，光矢量旋转角度θ与光在旋光物质中经过的距离d成正比，比例系数为α(°/mm)，则
θ＝αd (1)
其中α可正可负，以表示光矢量的旋转方向。迎着光传播方向观察时，若振动方向顺时针方向旋转，则物质为“右旋”的，对应θ>0；若振动方向逆时针方向旋转，则物质为“左旋”的，对应θ<0。
对于旋光物质溶液，则
α＝ρC (2)
其中C是溶液浓度，ρ是比旋光度，是与物质有关的常数。
以检偏器的透光轴方向为x轴建立坐标系，线偏振光透明物质时，沿锥光圆的法线和切线方向分解为o光和e光，如附图2所示。其中，P1为起偏器的透光轴方位，P2为检偏器的透光轴方位，α为x轴转到e轴的角度，θ是入射光的偏振面角度，即为光矢量旋转角度。
线偏振光通过透明物质和单轴晶体后，在o-e坐标系下偏振光琼斯矩阵为：
其中δ是晶体所引入的o光和e光的相位差
式中：no为常数，是o光的折射率；ne(θ)是e光的折射率，其随光束入射角θ变化；d为晶体通光方向的厚度；λ为激光的波长。
将式(3)变化到x-y坐标系下：
透过检偏器后的琼斯矢量为
输出光强的表达式为
对式(7)进行偏微分运算，以求取干涉条纹亮度最大值或最小值位置
由于sin2δ/2不为零，因此入射光的偏振面角度θ与干涉条纹旋转角α之间的关系为
θ＝2α (9)
干涉光斑图像如附图3所示。
可见光斑旋转角为入射光的偏振面角度的一半。因此通过图像处理算法计算光斑旋转角度即可实现θ的线性测量，从而确定透明物质的旋光度。
实施例：
实验系统采用单横模LD光源，工作波长为808nm；采用LPVIS050偏振片，波长范围为550-1500nm；采用OSQ100-IC四象限探测器，波长范围为400-1100nm；把待测溶液为纯净水时的旋光角度记为零点，选取浓度为0.2g/10mL、0.4g/10mL、0.6g/10mL、0.8g/10mL和1.0g/10mL的蔗糖溶液分别测量其旋光度。测量结果如表1，可见旋光度随着浓度的增加负向增加，而且呈现线性变化。
表1葡萄糖溶液的旋光度随浓度的变化
以上所述是本发明的优选实例，并不用于限制本发明，凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于会聚偏光干涉实现的旋光度测量方法，其特征在于：会聚偏光干涉是通过单轴晶体的会聚光束形成的，光轴与单轴晶体的晶面垂直，偏振光束射入晶体时发生双折射现象，分解为有位相差的o光和e光，带有不同位相差的偏振光经过检偏器后，具有相同振动方向和振动频率的光线之间产生干涉并形成会聚偏光干涉图形，图形中的暗十字根据透明物质旋光度的大小旋转，通过四象限探测器对暗十字定位，实现对物质旋光度的测量，暗十字旋转的方向即为旋光方向。
2.根据权利要求1所述的基于会聚偏光干涉实现的旋光度测量方法，其特征在于：光源（1）出射的光经起偏器（2）产生线偏振光，通过透明物质（3）时由于透明物质旋光性的作用，使线偏振光的偏振面发生旋转，旋转角度的大小与旋光度成正比，偏振光束经凸透镜A（4）聚焦后射入单轴晶体（5），随之在单轴晶体（5）上产生双折射现象，分解为有位相差的o光和e光，会聚光束经凸透镜B（6）转换为平行光束，带有不同位相差的平行偏振光束经过检偏器（7）后，具有相同振动方向和振动频率的光线之间产生干涉并形成会聚偏光干涉图形，图形中的暗十字根据透明物质旋光度的大小旋转，通过四象限探测器（8）对暗十字定位，实现对透明物质旋光度的测量。
3.根据权利要求2所述的基于会聚偏光干涉实现的旋光度测量方法，其特征在于：所述的暗十字旋转的方向即为旋光方向。
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