CN115575356B - 一种旋光晶体透过率测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种旋光晶体透过率测量装置及测量方法，测量装置包括：单色器、退偏器、可控旋光器件、光电探测器和控制器；单色器、退偏器、可控旋光器件和光电探测器沿光束传播方向依次设置；待测旋光晶体置于退偏器和可控旋光器件之间的光路中，单色器产生预设波长的单色光，单色光经退偏器后不完全退偏地照射至待测旋光晶体，待测旋光晶体对入射的不完全退偏光束改变其偏振态，可控旋光器件旋转偏振态，光电探测器对经偏振态旋转的光束进行采样以获得测量光束，在光电探测器的采样周期内，可控旋光器件旋转偏振态的旋转角度为90°的N倍。通过对偏振态旋转以达到时域退偏，使得测量光束近似的达到了完全退偏，极大地提高了旋光晶体透过率测量的准确性。

Description

一种旋光晶体透过率测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及晶体透过率测量技术领域，具体涉及一种旋光晶体透过率测量装置及测量方法。

背景技术

在透过率测量的过程中，常用分光光度计对非旋光晶体的透过率进行测量，分光光度计包括单色器、退偏器和光电探测器，分光光度计是在空域上进行广谱退偏，这种空域退偏对各种波长的检测光不能均匀的起到完全退偏作用，且光电探测器对于固定偏振态下S波与P波的灵敏度不同，即在同样的光强下光电探测器对S波和P波有着不同的测量结果，导致由旋光效应的旋光晶体放入后，旋光晶体引起的偏振态改变对旋光晶体的透过率测量产生误差。

发明内容

针对采用分光光度计对旋光晶体的透过率进行测量时，因不能完全退偏所引起的测量误差问题，本发明提供一种旋光晶体透过率测量装置及测量方法，本发明基于时域退偏原理，在光电探测器的一个采样周期内对偏振态进行高速旋转并通过积分进行时域退偏，使测量光束达到完全退偏的效果，进而提高了旋光晶体透过率测量的准确性。

本发明技术方案如下：

本发明提供一种旋光晶体透过率测量装置，包括：单色器、退偏器、可控旋光器件、光电探测器和控制器；

所述单色器、退偏器、可控旋光器件和光电探测器沿光束传播方向依次设置，其中，所述单色器靠近光源一侧；

所述单色器、可控旋光器件和光电探测器分别与所述控制器通讯连接；

待测旋光晶体置于所述退偏器和可控旋光器件之间的光路中，所述待测旋光晶体对入射的不完全退偏光束改变其偏振态，所述可控旋光器件用于旋转所述偏振态；

所述控制器控制所述单色器产生预设波长的单色光，所述单色光经过所述退偏器后不完全退偏地照射至待测旋光晶体，所述待测旋光晶体对入射的不完全退偏光束改变其偏振态，所述控制器控制所述可控旋光器件旋转所述偏振态，并同步控制所述光电探测器在其采样周期内对经偏振态旋转的光束进行采样以获得测量光束，其中，在所述光电探测器的采样周期内，所述控制器控制所述可控旋光器件旋转所述偏振态的旋转角度为90°的N倍，N为大于等于1的正整数；

所述控制器根据经过待测旋光晶体的测量光束和未经过待测旋光晶体的参考光束获得待测旋光晶体的透过率。

进一步优选的，所述可控旋光器件为磁光调制器。

进一步优选的，所述磁光调制器的控制电压根据所述单色器产生的单色光的预设波长以及所述磁光调制器在所述光电探测器的采样周期内旋转所述偏振态的所述旋转角度而确定，使得所述磁光调制器根据所述控制电压在所述采样周期内将所述偏振态旋转N次。

进一步优选的，所述控制器内预先设置有所述单色器、磁光调制器和光电探测器的参数配置列表，所述参数配置列表内设有：光电探测器的采样周期、单色器产生的单色光的预设波长、及在所述采样周期下，与所述预设波长对应设置的磁光调制器的控制电压。

进一步优选的，所述参数配置列表内预先设置多种不同的预设波长，且每一种预设波长对应设置多个不同的控制电压。

进一步优选的，所述磁光调制器旋转所述偏振态的旋转角速度大于所述光电探测器的采样速度。

本发明还提供一种利用上述的旋光晶体透过率测量装置测量旋光晶体透过率的测量方法，包括步骤：

将待测旋光晶体置于退偏器和可控旋光器件之间的光路中；

控制光源发射光束，控制单色器产生预设波长的单色光，所述单色光经过所述退偏器后不完全退偏地照射至待测旋光晶体，所述待测旋光晶体对入射的不完全退偏光束改变其偏振态；

控制所述可控旋光器件旋转所述偏振态，并同步控制所述光电探测器在其采样周期内对经偏振态旋转的光束进行采样以获得测量光束；

根据经过待测旋光晶体的测量光束和未经过待测旋光晶体的参考光束获得待测旋光晶体的透过率。

进一步优选的，在所述光电探测器的采样周期内，控制所述可控旋光器件旋转所述偏振态的旋转角度为90°的N倍，N为大于等于1的正整数，使得所述可控旋光器件在所述采样周期内将所述偏振态旋转N次。

进一步优选的，所述可控旋光器件为磁光调制器，还包括根据所述单色器产生的单色光的预设波长以及所述磁光调制器在所述光电探测器的采样周期内旋转所述偏振态的所述旋转角度确定所述磁光调制器的控制电压的步骤，使得所述磁光调制器根据所述控制电压在所述采样周期内将所述偏振态旋转N次。

进一步优选的，还包括预先设置单色器、磁光调制器和光电探测器的参数配置列表的步骤，所述参数配置列表内设有：光电探测器的采样周期、单色器产生的单色光的预设波长、及在所述采样周期下，与所述预设波长对应设置的磁光调制器的控制电压。

依据上述实施例的旋光晶体透过率测量装置及测量方法，在光电探测器的采样周期内，本申请采用可控旋光器件对待测旋光晶体引起的偏振态进行旋转，以达到时域退偏效果，使得测量光束近似的达到了完全退偏，与现有采用分光光度计对旋光晶体透过率进行测量相比，本申请的测量装置极大地提高了旋光晶体透过率测量的准确性。

附图说明

图1为旋光晶体透过率测量装置原理图；

图2为磁光调制器原理图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

针对旋光晶体透过率测量，当采用分光光度计对旋光晶体的透过率测量时，因分光光度计是在空域上进行广谱退偏，这种空域退偏对各种波长的检测光不能均匀的完全退偏，且旋光晶体自身的旋光效应产生的偏振态改变对旋光晶体的透过率测量会产生一定的测量误差。

可以在检测光进入待测旋光晶体前加入机械装置引入一个起偏器，起偏器角度可以由步进电机进行精确控制，使得偏振态由之前的部分偏振光变为完全的线偏振，通过计算机适配令线偏振方向改变，使得旋光后的线偏振角度始终保持在某一方向，这样也可以抵消偏振态对于测量影响，这是采用空域上的线偏振光进行精确测量，但缺点也很明显，如，适配比较难以实现以及测量速度慢，在不同波长测量下，待测旋光晶体旋光角度不同，那么进行旋转起偏器进行适配角度时需要一定的时间，当所需测量波长较多时将大大延长测量时间，因此对于单波长此方法虽适用但连续光谱导致测量时间过长。

针对旋光晶体透过率测量存在的问题，本申请基于时域退偏原理提供一种能够快速且准确地测量旋光晶体透过率的测量装置及其测量方法，下面通过具体实例进行对本申请提供的测量装置及其测量方法进行详细说明。

本实施例提供一种旋光晶体透过率测量装置，其原理图如图1所示，包括：光源100、单色器200、退偏器300、可控旋光器件400、光电探测器500和控制器600。

光源100为整个旋光晶体透过率测量装置提供光束，其中，单色器200、退偏器300、可控旋光器件400和光电探测器500沿光束传播方向依次设置，具体的，单色器200靠近光源100一侧，光电探测器500位于光束传播方向的末端，用于接收穿过待测旋光晶体的光束。

单色器200、可控旋光器件400和光电探测器500分别与控制器600通讯连接，待测旋光晶体置于退偏器300和可控旋光器件400之间的光路中，待测旋光晶体对入射光束产生偏振态，可控旋光器件400用于旋转该偏振态。

本实施例提供的旋光晶体透过率测量装置的基本工作原理是：控制器600控制单色器200产生预设波长的单色光，该单色光经过退偏器300后不完全退偏地照射至待测旋光晶体，待测旋光晶体对入射的不完全退偏光束改变其偏振态，控制器600控制可控旋光器件400旋转该偏振态，并同步控制光电探测器500在其采样周期内对经偏振态旋转的光束进行采样以获得测量光束，其中，在光电探测器500的采样周期内，控制器600控制可控旋光器件500旋转该偏振态的旋转角度为90°的N倍，N为大于等于1的正整数，N为大于等于1的正整数；控制器600根据经过待测旋光晶体的测量光束和未经过待测旋光晶体的参考光束获得待测旋光晶体的透过率。

针对旋光晶体透过率的测量，在现有技术中，采用分光光度计的空域退偏原理对旋光晶体的透过率测量时，因旋光晶体引起的偏振态改变，导致旋光晶体的透过率测量存在误差，而在本申请中，在现有分光光度计原有的光路架构下，通过引入可控旋光器件，利用可控旋光器件对旋光晶体改变的偏振态进行旋转，以达到时域退偏的效果，使得经过旋光晶体的测量光束近似的达到了完全退偏，与现有采用分光光度计对旋光晶体透过率的测量相比，本申请的测量装置极大地提高了旋光晶体透过率测量的准确性。

下面以可控旋光器件400为磁光调制器为例，对本实施例提供的旋光晶体透过率测量装置中关于单色器200、可控旋光器件400、光电探测器500之间的配合工作进行详细描述。

磁光调制器中的磁光效应又称为法拉第效应，由法拉第发现，具体内容是在某一方向穿过介质的偏振光会因为外加磁场的作用，偏振态会发生旋转改变。这种旋转与磁场朝着光波传播方向的分量呈线性正比关系，如图2所示。

其中，该线性正比关系的表达式为：β＝V(λ)BL，该表达式中，β为光矢量偏转角；V(λ)是费尔德常数，表征材料磁光性能的一个常量，由材料本身性质与工作波长决定；B是磁感应强度，由电流产生；L表示旋光晶体的长度。

磁光调制器是基于磁光效应而制作的，其作用原理就是外加电信号通过旋光晶体外的导电线圈产生可变化的磁场，磁感应强度可由计算机通过电流的大小进行直接控制，这样就可以看作把整个光线进行了绕传播方向的轴旋转，旋转角度可由线偏振光直接的消光现而直接验证。

由于光电探测器对于固定偏振态下S波与P波的灵敏度不同，即在同样的光强下探测器对S波和P波有着不同的测量结果，在本实施例中，采用磁光调制器对偏振态旋转，以将偏振态下S波旋转至P波，及将偏振态下P波旋转至S波，因，由S波旋转至P波其旋转角度为90°，进一步优选的，在光电探测器的采样周期内，采用磁光调制器旋转该偏振态的旋转角度为90°的N倍，N为大于等于1的正整数，使得，在光电探测器的采样周期内，S波与P波之间可以被来回切换N次。

由上述表达式可知，磁光调制器的磁感应强度B与单色光的波长、旋光晶体的长度、及旋转角度相关，其中，单色器产生的波长、旋光晶体的长度、及需要的旋转角度根据实际需要均可是已知参数，通过上述表达式即可获得磁光调制器的磁感应强度，进一步，可以根据该磁感应强度获得磁光调制器的控制电压。

因此，磁光调制器的控制电压根据所述单色器产生的单色光的预设波长以及所述磁光调制器在所述光电探测器的采样周期内旋转所述偏振态的所述旋转角度而确定，使得所述磁光调制器根据所述控制电压在所述采样周期内将所述偏振态旋转N次。

进一步，本实施例提供的旋光晶体透过率测量装置，通过外部设置的控制器600来综合控制单色器、磁光调制器和光电探测器的开启和关闭工作，例如，通过外部的计算机(如，便携式笔记本)向单色器、磁光调制器和光电探测器发送相应的控制信号，以启动相关的旋光晶体透过率测量工作。基于此，在控制器600内预先设置有单色器、磁光调制器和光电探测器的参数配置列表，该参数配置列表内设有：光电探测器的采样周期、单色器产生的单色光的预设波长、及在所述采样周期下，与所述预设波长对应设置的磁光调制器的控制电压。

需要说明的是，在该参数配置列表中，可以预先设置多种不同的预设波长，而针对每一种预设波长又可以设置多个不同的控制电压，这样，在具体测量过程中，可以根据实际需求，选择所需的预设波长，及在该预设波长下选择合适的控制电压。其中，不同控制电压对应的磁光调制器旋转偏振态的次数不同，故，不同的预设波长下所对应设置的控制电压可以相同，也可以不同，具体可根据旋光晶体的实际测量需求设定。

例如，在该参数配置列表内，光电探测器的采样周期是固定不变的，针对光电探测器的固定采样周期，在该采样周期内针对某一固定波长的单色光进行采样，例如，在一采样周期内针对200nm波长的单色光进行采样，在另一采样周期内针对300nm波长的单色光进行采样；在旋光晶体透过率的实际测量中，可能需要针对不同波段的单色光进行测量，因此，可以对单色器设置多种预设波长(如，200nm波长，300nm波长，400nm波长等)，并针对每一预设波长可以对应设置磁光调制器的多个不同的控制电压，不同的控制电压使磁光调器旋转偏振态的次数不同，如，针对200nm波长，可以设置磁光调制器在采样周期内旋转偏振态1次、2次、3次等所对应的控制电压，针对300nm波长，可以设置磁光调制器在采样周期内旋转偏振态4次、6次等所对应的控制电压。

在对旋光晶体透过率的实际测量中，可根据实际应用预先设置该参数配置列表，在该参数配置列表内选择所需的单色器的预设波长参数及磁光调制器的控制电压，以使控制器根据所选择的预设波长参数控制单色器工作，及根据所选择的控制电压控制磁光调制器工作，通过磁光调制器对偏振态的旋转实现时域退偏，以提高旋光晶体透过率的测量精度。

进一步，需要着重强调的是，偏振态的旋转角速度相对于取样速度越快精度越高，如果角速度不是远远大于取样速度，会产生一定的“平均”作用，基于此，磁光调制器旋转偏振态的旋转角速度大于光电探测器的采样速度。也即是，通过提高磁光调制器的旋光速度，使得在一个电信号脉冲周期内，磁光调制器旋转的圈数多一些，以达到更高的测量精度。

进一步，本实施例提供的旋光晶体透过率测量装置在测量的过程中，单色器、磁光调制器、光电探测器的启动工作是由控制器来综合控制，且磁光调制器对偏振态的旋转是自动控制的连续旋转动作，不需要人工手动旋转待测旋光晶体，因此，该旋光晶体透过率测量装置不仅能提高旋光晶体透过率测量精度，而且还能简化测量过程，缩短测量时间。

需要说明的是，针对本实施例提供的旋光晶体透过率测量装置，不仅可以对旋光晶体透过率进行测量，还可以对非旋光晶体透过率时行测量，具体的，针对旋光晶体透过率测量时，需要开启磁光调制器，以对旋光晶体引起的偏振态进行旋转，而针对非旋光晶体透过率测量时，则不需要开启磁光调制器，故本实施例提供的旋光晶体透过率测量装置同时还兼容了非旋光晶体透过率的测量。

基于本实施例提供的旋光晶体透过率测量装置，本实施例还提供一种利用该旋光晶体透过率测量装置测量旋光晶体透过率的测量方法，具体包括以下步骤。

S100：将待测旋光晶体置于退偏器和可控旋光器件之间的光路中。

S200：控制光源发射光束，控制单色器产生预设波长的单色光，所述单色光经过所述退偏器后不完全退偏地照射至待测旋光晶体，所述待测旋光晶体对入射的不完全退偏光束改变其偏振态。

S300：控制所述可控旋光器件旋转所述偏振态，并同步控制所述光电探测器在其采样周期内对经偏振态旋转的光束进行采样以获得测量光束。

具体的，在所述光电探测器的采样周期内，控制所述可控旋光器件旋转所述偏振态的旋转角度为90°的N倍，N为大于等于1的正整数，使得所述可控旋光器件在所述采样周期内将所述偏振态旋转N次。

S400：根据经过待测旋光晶体的测量光束和未经过待测旋光晶体的参考光束获得待测旋光晶体的透过率。

进一步，可控旋光器件优选为磁光调制器，在测量之前，还包括根据所述单色器产生的单色光的预设波长以及所述磁光调制器在所述光电探测器的采样周期内旋转所述偏振态的所述旋转角度确定所述磁光调制器的控制电压的步骤，使得所述磁光调制器根据所述控制电压在所述采样周期内将所述偏振态旋转N次。

进一步，在测量之前，还包括预先设置单色器、磁光调制器和光电探测器的参数配置列表的步骤，所述参数配置列表内设有：光电探测器的采样周期、单色器产生的单色光的预设波长、及在所述采样周期下，与所述预设波长对应设置的磁光调制器的控制电压。

如前所述，在固定的采样周期下，在该参数配置列表中，可以预先设置多种不同的预设波长，而针对每一种预设波长又可以设置多个不同的控制电压，这样，在具体测量过程中，可以根据实际需求，选择所需的预设波长，及在该预设波长下选择合适的控制电压。

通过参数配置列表的预先设置，在步骤S200中，可以在该参数配置列表中选择一种预设波长，以控制单色器产生该预设波长的单色光，及在步骤S300中，选择该预设波长下所对应的合适的控制电压，根据该控制电压控制磁光调制器在采样周期内旋转偏振态。例如，在步骤S200中，在该参数配置列表中选择400nm波长，在步骤S300中选择400nm波长下能够将偏振态旋转4次所对应的控制电压。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (9)

1.一种旋光晶体透过率测量装置，其特征在于，包括：单色器、退偏器、可控旋光器件、光电探测器和控制器；所述可控旋光器件为磁光调制器；

所述单色器、退偏器、可控旋光器件和光电探测器沿光束传播方向依次设置，其中，所述单色器靠近光源一侧；

所述单色器、可控旋光器件和光电探测器分别与所述控制器通讯连接；

待测旋光晶体置于所述退偏器和可控旋光器件之间的光路中，所述待测旋光晶体对入射的不完全退偏光束改变其偏振态，所述可控旋光器件用于旋转所述偏振态；

所述控制器控制所述单色器产生预设波长的单色光，所述单色光经过所述退偏器后不完全退偏地照射至待测旋光晶体，所述待测旋光晶体对入射的不完全退偏光束改变其偏振态，所述控制器控制所述可控旋光器件旋转所述偏振态，并同步控制所述光电探测器在其采样周期内对经偏振态旋转的光束进行采样以获得测量光束，其中，在所述光电探测器的采样周期内，所述控制器控制所述可控旋光器件旋转所述偏振态的旋转角度为90°的N倍，N为大于等于1的正整数；

所述控制器根据经过待测旋光晶体的测量光束和未经过待测旋光晶体的参考光束获得待测旋光晶体的透过率。

2.如权利要求1所述的旋光晶体透过率测量装置，其特征在于，所述磁光调制器的控制电压根据所述单色器产生的单色光的预设波长以及所述磁光调制器在所述光电探测器的采样周期内旋转所述偏振态的所述旋转角度而确定，使得所述磁光调制器根据所述控制电压在所述采样周期内将所述偏振态旋转N次。

3.如权利要求2所述的旋光晶体透过率测量装置，其特征在于，所述控制器内预先设置有所述单色器、磁光调制器和光电探测器的参数配置列表，所述参数配置列表内设有：光电探测器的采样周期、单色器产生的单色光的预设波长、及在所述采样周期下，与所述预设波长对应设置的磁光调制器的控制电压。

4.如权利要求3所述的旋光晶体透过率测量装置，其特征在于，所述参数配置列表内预先设置多种不同的预设波长，且每一种预设波长对应设置多个不同的控制电压。

5.如权利要求2所述的旋光晶体透过率测量装置，其特征在于，所述磁光调制器旋转所述偏振态的旋转角速度大于所述光电探测器的采样速度。

6.一种利用如权利要求1-5任一项所述的旋光晶体透过率测量装置测量旋光晶体透过率的测量方法，其特征在于，包括步骤：

将待测旋光晶体置于退偏器和磁光调制器之间的光路中；

控制光源发射光束，控制单色器产生预设波长的单色光，所述单色光经过所述退偏器后不完全退偏地照射至待测旋光晶体，所述待测旋光晶体对入射的不完全退偏光束改变其偏振态；

控制所述磁光调制器旋转所述偏振态，并同步控制所述光电探测器在其采样周期内对经偏振态旋转的光束进行采样以获得测量光束；

根据经过待测旋光晶体的测量光束和未经过待测旋光晶体的参考光束获得待测旋光晶体的透过率。

7.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于，在所述光电探测器的采样周期内，控制所述磁光调制器旋转所述偏振态的旋转角度为90°的N倍，N为大于等于1的正整数，使得所述磁光调制器在所述采样周期内将所述偏振态旋转N次。

8.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，还包括根据所述单色器产生的单色光的预设波长以及所述磁光调制器在所述光电探测器的采样周期内旋转所述偏振态的所述旋转角度确定所述磁光调制器的控制电压的步骤，使得所述磁光调制器根据所述控制电压在所述采样周期内将所述偏振态旋转N次。

9.如权利要求8所述的测量方法，其特征在于，还包括预先设置单色器、磁光调制器和光电探测器的参数配置列表的步骤，所述参数配置列表内设有：光电探测器的采样周期、单色器产生的单色光的预设波长、及在所述采样周期下，与所述预设波长对应设置的磁光调制器的控制电压。