CN1424570A - 相位测量旋光角度装置 - Google Patents

Abstract

一种相位测量旋光角度装置，因为不同圆偏极化分量在旋光溶液中的传播速度不同，可造成外差干涉信号相位的改变，通过参考光信号和通过旋光溶液的外差干涉信号相互乘积，所输出的信号再通过低通滤波器即时测量经放大后的相位差信号的振幅大小，而提高检测旋光角度的灵敏度。本发明的特点是即时且能精确的测量旋光溶液的旋转角度和旋光溶液的浓度，可应用在不同的领域中。

Description

相位测量旋光角度装置

【技术领域】

本发明涉及一种相位测量旋光角度装置，特别是涉及一种利用双频率，双偏极化激光即时测量旋光角度的装置。

【背景技术】

具有旋光特性(optical activity)物质的溶液，如糖水等可将一线偏极化光在通过该旋光溶液后产生线偏极光旋转一角度(optical rotation)，因此可通过旋转角度的大小进一步求得该溶液的浓度，和圆偏极化双折射(circular birefringence)等旋光特性的物理量。然而大部分测量旋光角度的方法都是利用极化片(polarizer)和分析片(analyzer)所组成的极化仪(polarimeter)直接量取输出的线偏极化光的强度变化而得到旋转角度大小。这种方法常因激光光源输出强度的不稳定而且亦很容易受外界环境的影响而不能精确的测量旋转角度。因此有研究提出利用空间(spatial)或时间(temporal)的干涉仪并利用同步检测(Synchronizeddetection)的方法用以提高信号信噪比值(SNR)而达到提高测量精确度的目的，然而这些方法在光学架构上比较复杂同时亦一样容易受到环境的影响。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种具有环境稳定性的相位测量旋光角度装置。

本发明的另一目的是提供一种即时测量的相位测量旋光角度装置。

本发明的主要特征在利用双频率，双偏极化激光如Zeeman激光器以相位敏感(phase-sensitive)的装置即时测量旋光角度，因为采用共同路径的光学架构，使环境因素的影响有效降低、稳定性和检测灵敏度大幅提升，而采同步检测也可以迅速获得即时的资讯。

本发明的一种相位测量旋光角度装置，是用来测试一待测物的旋光角度，包括：一稳频激光光源装置，用来输出一信号光束和一参考光束，该信号光束和参考光束分别具有双频率、偏极化方向相互垂直的偏极化激光分量，该信号光束的偏极化分量更是以圆偏极化方式行进而被入射到该待测物；一极化分光装置，使穿过该待测物的信号光束所含的圆偏极化光分量被区分为P波和S波方向分量；一极化光分析片，用来调整来自分光元件的参考光束的极化方向，使其P波和S波分量间可以产生外差干涉光学信号；第一和第二光侦检器，分别把来自该极化光分析片的参考光束外差干涉光学信号、和穿过该待测物的信号光束的P波或S波分量的至少一分量，转换成一参考信号和一第一数据信号；一组处理装置，用来把该参考信号相对该第一数据信号偏移π/2，并把该偏移后的参考信号和第一数据信号相乘，取该直流信号输出，藉此获得该待测物的旋光角度。

【附图说明】

下面通过最佳实施例及附图对本发明相位测量旋光角度装置的进行详细说明，附图中：

图1是一示意图，说明本发明相位测量旋光角度装置的第一实施例。

图2是圆偏极化光旋转角度示意图。

图3是一类似于图1的架构示意图，说明第二实施例处理信号光束部分的架构变化。

图4是一类似于图1的架构示意图，说明第三实施例光源装置的架构变化。

图5是一类似于图3的架构示意图，说明第四实施例光源装置的架构变化。

图6是一类似于图1的架构示意图，说明第五实施例处理装置的架构变化。

图7给出将四根玻璃管所做的实验数据放在一起时的各浓度葡萄糖水溶液造成的相位变化图。

图8是各葡萄糖水浓度所对应的平均相位差关系图，

【具体实施方式】

如图1所示，本发明是利用所发激光光束具有两种不同频率、而且彼此的偏极化方向相互垂直的稳频激光光源装置1作为光源，在第一实施例中，装置1包括线偏极化Zeeman激光器100、二分之一波片110、分光元件120、四分之一波片130。其中，激光器100发出的线偏极化激光光束经由一二分之一波片110，使得这两种线偏极化光P波和S波分量的方位角(azimuth angle)，分别平行于空间座标轴X轴和Y轴。由分光元件(BS)120把光源100输出的线偏极化光分为参考光束与信号光束。

如图2所示，由于旋光角度的产生是基于左(L)和右(R)圆偏极化光在具有旋光特性的介质传播时，因传播的速率不相同而造成线偏极化光旋转，因此在图1中利用一方位角为45°的四分之一波片130将信号光束的P波和S波分别转换成圆偏极化的R波和L波。并同时入射至具旋光特性的溶液中。其中P波和S波可以Jone’s矩阵表示成P波： $A_p{e}^{i{\mathrm{\ω}}_{p}t}\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right],$ S波： $A_s{e}^{i{\mathrm{\ω}}_{s}t}\left[\begin{array}{c}0\\ 1\end{array}\right],$ (A_p，ω_p)和(A_s，ω_s)分别为P波和S波的振幅及频率，再经过λ/4波片转换成R波和L波，分别可写成R波： ${(1/\sqrt{2})}^{A_p{e}^{{\mathrm{i\ω}}_{p}t\left[\begin{array}{c}1\\ -i\end{array}\right]}}$ 和L波： ${(1/\sqrt{2})}^{A_s{e}^{{\mathrm{i\ω}}_{s}t\left[\begin{array}{c}1\\ i\end{array}\right]}}.$

R波和L波在穿过具旋光性的待测物溶液140后可写成R’波： ${\left(1\sqrt{2}\right)}^{A_p{e}^{i({\mathrm{\ω}}_{P}t+{\mathrm{\θ}}_R)}\left[\begin{array}{c}1\\ -i\end{array}\right]};$ L’波： ${(1/\sqrt{2})}^{A_s{e}^{i({\mathrm{\ω}}_{S}t+{\mathrm{\θ}}_L)\left[\begin{array}{c}1\\ i\end{array}\right]}},$ 其中 $i=\sqrt{-1},$ θR和θL表示因R波和L波在旋光介质中传播速度不同所造成的相位变化，由图2中可得到线偏极化光的旋转角度δ＝(θ_R-θ_L)/2。当R’波和L’波再通过一50∶50的极化光分光器(PBS)150分光，其中在通过P波偏极化方向的R’波和L’将转换成 ${(\mathrm{Ap}/\sqrt{2})}^{\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right]e^{i({\mathrm{\ω}}_{P}t+{\mathrm{\θ}}_R)}}$ 和 ${(\mathrm{As}/\sqrt{2})}^{\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right]e^{i({\mathrm{\ω}}_{S}t+{\mathrm{\θ}}_L)}},$ 产生外差干涉并由第二光侦检器Dp 160所接收、转换为第一数据信号的电信号输出。Dp所输出的第一数据信号可写成 $I_p\left({\mathrm{\Δ\ω}}_t\right)=\frac{1}{2}{A_p}^2+\frac{1}{2}{A_s}^2+A_p{A}_s\cos (\mathrm{\Δ\ωt}+\mathrm{\Δ\θ})\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

其中Δθ＝θR_-θ_L，Δω＝ω_p-ω_s；同理，通过S波偏极化方向的R’波和L’可转换成 ${-i(A_p/\sqrt{2})}^{\left[\begin{array}{c}0\\ 1\end{array}\right]}{e}^{i(\mathrm{\ωpt}+\mathrm{\θR})}$ 和 ${i(A_s/\sqrt{2})}^{\left[\begin{array}{c}0\\ 1\end{array}\right]}{e}^{i(\mathrm{\ωst}+\mathrm{\θL})}.$

参考光束经过光分析片121而产生外差干涉，并由第一光侦检器D_r122接收转换为一参考信号，D_r所输出的参考信号可写成

I_r(Δωt)＝(A_p’)²+(A_s’)²+2A_p’A_s’cos(Δωt)………….……(2)

其中(A_p’，A_s’)为参考光中P波和S波的振幅。

I_p(Δωt)，和I_r(Δωt)分别输入处理装置2，先经过以Δω为中心频率的带通滤波器161和123将直流信号滤除，则

I_p(Δωt)＝A_pA_scos(Δωt+Δθ)……….…………………….(3)

I_r(Δωt)＝2A_p’A_s’cos(Δωt)…………………………………(4)

其中将I_r(Δωt)通过一π/2相位偏移器124，使其相对于第一数据信号偏移π/2，使得

I_r(Δωt)＝2A_p’A_s’sin(Δωt)………………………………...(5)

再输入乘法器190和I_n(Δωt)信号相乘而得到

I_I(Δωt)＝A_pA_scos(Δωt+Δθ).2A_p’A_s’sin(Δωt)………….(6)

在低浓度的条件下 $\mathrm{\Δ\θ}\≅0,$ 则 $I_1\left(\mathrm{\Δ\ωt}\right)\≅{2I}_0[\cos \left(\mathrm{\Δ\ωt}\right)-\mathrm{\Δ\θ}\sin \left(\mathrm{\Δ\ωt}\right)]\sin \left(\mathrm{\Δ\ωt}\right)$ $=I_0[\sin \left(2\mathrm{\Δ\ωt}\right)+\mathrm{\Δ\θ}\cos \left(2\mathrm{\Δ\ωt}\right)]-I_0\mathrm{\Δ\θ}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(7\right)$

通过一低通滤波器200后，输出的直流输出信号为 $I_1{=}^{\left|I_0\mathrm{\Δ\θ}\right|}={I_0}^{|{\mathrm{\θ}}_R-{\mathrm{\θ}}_L|}={{2I}_0}^{\left|\mathrm{\δ}\right|}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·.\left(8\right)$

其中I₀＝A_pA_p’A_sA_s’，δ为旋转角度。由本发明可得到一放大2I₀倍的旋转角度信号，就可以由后续的计算处理装置210计算出旋光角度和相关的物理量。

当然，熟悉该技术领域的人士能轻易理解，上述实施例中，穿过待测物140的信号光束在经过极化分光器150分光后，S波偏极化方向产生的外差干涉也可由第三光侦检器D_s170接收并转换为第二数据信号，并可写成 $I_s\left(\mathrm{\Δ\ωt}\right)=\frac{1}{2}{A_p}^2+\frac{1}{2}{A_s}^2-A_p{A}_s\cos (\mathrm{\Δ\ωt}+\mathrm{\Δ\θ})\·\·\·\·\·\·\·\·\left(9\right)$

随后把第一数据信号I_p(Δωt)和第二数据信号I_s(Δωt)输入差动放大器180相减并放大，形成一Balance detector平衡电路而能有效的降低系统杂讯(common mode noise)提高信噪比SNR值，差动放大器180所输出的信号为

I_d(Δωt)＝2γ[A_pA_scos(Δωt+Δθ)]………………(10)

将差动放大器180输出的信号输入乘法器190，和经过π/2相位偏移器124偏移后的参考信号I_r(Δωt)相乘，同样经过低通滤波器200后得到

I₂＝2I₀γ^|Δθ|＝4I₀γ^|δ|…………………………….(11)

其中γ为差动放大器的增益。由I₁，Eq(8)和I₂，Eq(11)得知，本发明可大幅提升旋转角δ的检测灵敏度并可检测相关的物理量。

另外，如图4所示的本案第三实施例，当光源为双频率相互垂直圆偏极化(circular polarization)激光光源，例如圆偏极化Zeeman激光器101，则稳频激光光源装置1可简化为激光器101和一分光元件120，参考光束的光路上，也要对应设置极化方向可调整在P波(x-轴)方向或S波(y-轴)方向的极化光分析片121，以产生和Eq(2)同性质的外差干涉参考信号。

同样把第二实施例中的稳频激光光源装置用第三实施例的光源装置取代，就成为图5本案第四实施例的形式。

当然，如图6所示的本发明第五实施例，把第一实施例中的处理装置以锁相放大器300取代，量取相位差Δθ，并求出旋光角度δ的大小。

图7和8是无散射介质时所得的葡萄糖水浓度与相位差的关系实验结果曲线图。图7给出将四根玻璃管所做的实验数据放在一起时的各浓度葡萄糖水溶液造成的相位变化图；图8是各葡萄糖水浓度所对应的平均相位差关系图，其中在每次放葡萄糖水溶液之前都有一段三次水的测量作为背景值。

综上所述，本发明确能通过以上公开的构造将旋光角度放大并以DC信号大小测量，无论在检测灵敏度和有效测量范围均大幅提高，上述附图以及说明仅为了解本发明实施例，并不限定本发明的实施，凡熟悉该技术领域的人员依本发明权利要求所进行的其他等效变化或修饰都应由权利要求限定。

Claims (10)

1、一种相位测量旋光角度装置，其特征在于，包含有：

一稳频激光光源装置，用来输出一信号光束和一参考光束，所述信号光束和参考光束分别具有双频率、偏极化方向相互垂直的偏极化激光分量，所述信号光束的偏极化分量更是以圆偏极化方式行进而被入射到所述待测物；

一极化分光装置，使穿过所述待测物的信号光束所含的圆偏极化光分量被区分为P波和S波方向分量；

一极化光分析片，用来调整来自分光元件的参考光束的极化方向，使其P波和S波分量间可以产生外差干涉光学信号；

第一和第二光侦检器，分别把来自所述极化光分析片的参考光束外差干涉光学信号、和穿过所述待测物的信号光束的P波或S波分量的至少一分量转换成一参考信号和一第一数据信号；

一组处理装置，用来把所述参考信号相对所述第一数据信号偏移π/2，并把所述偏移后的参考信号和第一数据信号相乘，取所述直流信号输出，由此获得所述待测物的旋光角度。

2、如权利要求1所述的相位测量旋光角度装置，其特征在于，所述处理装置包括一相位偏移器和一乘法器，所述相位偏移器是用来把所述参考信号偏移π/2，所述乘法器是把所述相位偏移器输出的所述参考信号和所述第一数据信号相互乘积后输出。

3、一种相位测量旋光角度装置，其特征在于，包含有：

一稳频激光光源装置，用来输出一信号光束和一参考光束，所述信号光束和参考光束分别具有双频率、偏极化方向相互垂直的偏极化激光分量，所述信号光束的偏极化分量更是以圆偏极化方式行进而被入射到所述待测物；

一极化分光装置，使穿过所述待测物的信号光束所含的圆偏极化光分量被区分为P波和S波方向分量；

一极化光分析片，用来调整来自分光元件的参考光束的极化方向，使其P波和S波分量间可以产生外差干涉光学信号；

第一、第二和第三光侦检器，分别把来自所述极化光分析片的参考光束外差干涉光学信号、和穿过所述待测物的信号光束的P波或S波分量，转换成一参考信号、一第一数据信号和一第二数据信号；

一差动放大器，供所述第一数据信号和所述第二数据信号被输入所述差动放大器相减和放大；

一组处理装置，用来把所述参考信号相对所述第一和第二数据信号偏移π/2，并把所述偏移后的参考信号和所述差动放大器输出的第一和第二数据信号差相乘，取所述直流信号输出，由此获得所述待测物的旋光角度。

4、如权利要求3所述的相位测量旋光角度装置，其特征在于，所述处理装置包括一相位偏移器和一乘法器，所述相位偏移器是用来把所述参考信号偏移π/2，所述乘法器是把所述相位偏移器输出的所述参考信号和所述差动放大器输出的所述第一和第二数据信号差相互乘积后输出。

5、如权利要求2或4所述的相位测量旋光角度装置，其特征在于，所述处理装置更包括一低通滤波器，滤出所述乘法器输出信号里的直流信号分量。

6、一种相位测量旋光角度装置，其特征在于，包含有：

一稳频激光光源装置，用来输出一信号光束和一参考光束，所述信号光束和参考光束分别具有双频率、偏极化方向相互垂直的偏极化激光分量，所述信号光束的偏极化分量更是以圆偏极化方式行进而被入射到所述待测物；

一极化分光装置，使穿过所述待测物的信号光束所含的圆偏极化光分量被区分为P波和S波方向分量；

一极化光分析片，用来调整来自分光元件的参考光束的极化方向，使其P波和S波分量间可以产生外差干涉光学信号；

第一和第二光侦检器，分别把来自所述极化光分析片的参考光束外差干涉光学信号、和穿过所述待测物的信号光束的P波或S波分量的至少一分量，转换成一参考信号和一第一数据信号；一相位解调装置，度量所述参考信号和第一数据信间的相位变化，藉此获得所述待测物的旋光角度。

7、如权利要求1、3或6所述的相位测量旋光角度装置，其特征在于，所述稳频激光光源装置包括：

一线偏极化双频率稳频激光器，供输出具有两不同频率分量、而且这些不同频率分量线偏极化方向相互垂直的线偏极化光束；

一分光元件，把所述线偏极化光束分为所述信号光束和所述参考光束；以及

一组四分之一波片，用以调整所述信号光束的方位角，由此使所述信号光束以圆偏极化方式行进。

8、如申请专利范围第7项所述的相位测量旋光角度装置，其特征在于，所述稳频激光光源装置还包括一用来调整所述线偏极化光束方位角的二分之一波片。

9、如申请专利范围第1、3或6项所述的相位测量旋光角度装置，其特征在于，所述处理装置包括二组以P波分量和S波分量的频率差为中心频率的带通滤波器，分别用来筛选过滤所述参考信号和第一数据信号的频率。

10、如申请专利范围第1、3或6项所述的相位测量旋光角度装置，其特征在于，所述稳频激光光源包括一供发出相互垂直的不同频率分量的圆偏极化双频稳频激光器，以及一把来自所述圆偏极化双频稳频激光光束分为一参考光束和一信号光束的分光元件。

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