DE4133128A1

DE4133128A1 - Determining optical activity esp. of liq. medium - using optical fibres for stokes parameter determination which are optically contacted with the medium

Info

Publication number: DE4133128A1
Application number: DE19914133128
Authority: DE
Inventors: Hartmut Lehmann
Original assignee: PHYSIKALISCH TECH I
Current assignee: Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
Priority date: 1991-10-05
Filing date: 1991-10-05
Publication date: 1993-04-08

Abstract

In the determn. of the optical activity of esp. liq. media, involving Stokes parameter determn. the novelty is that optical fibres (monomode fibres or multimode fibres provided with polarisation filters) are used for Stokes parameter determn. and are contacted optically with the medium being investigated. Equipment for carrying out the process is also claimed. ADVANTAGE - Stokes parameter determn. is carried out using small measuring cells which have high sensitivity, are easily sepd. from the light source and can be in the form of a miniature immersion probe.

Description

State of the art

Als optische Aktivität wird die Eigenschaft einiger Stoffe bezeichnet, den Polarisationszustand von in den Stoff eingestrahltem Licht zu ändern. In engerem Sinne versteht man, besonders in der chemischen Meßtechnik, unter optischer Aktivität nur die Drehung der Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht bei Durchgang durch das zu untersuchende Medium, das in den meisten Fällen eine Flüssigkeit oder eine Lösung ist. Für diesen Fall ist die optische Aktivität als der Winkel definiert, um den die Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht bei Durchgang durch eine 10 cm dicke Schicht des betreffenden Mediums gedreht wird.The property of some substances is called optical activity denotes the state of polarization of that radiated into the substance Change light. In a narrower sense one understands especially in chemical measurement technology, under optical activity only the rotation of the plane of polarization of linearly polarized Light when passing through the object to be examined Medium, which in most cases is a liquid or a Solution is. In this case the optical activity is as Defines the angle around which the plane of polarization is linear polarized light when passing through a 10 cm thick Layer of the medium in question is rotated.

Zur Messung dieser Drehung werden allgemein Polarimeter benutzt, die folgenden prinzipiellen Aufbau besitzen:
Das aus einer Lichtquelle L austretende Licht wird mittels eines Polarisators P linear polarisiert und durchläuft eine Meßküvette K. Das aus der Küvette austretende Licht passiert einen als Analysator dienenden Polarisator A und gelangt auf einen Detektor D. Da sich die Intensität des durch A auf D gelangenden Lichtes in Abhängigkeit von der Polarisationsebene des Lichtes ändert, kann aus der an D gemessenen Lichtintensität auf die Lage der Polarisationsebene geschlossen werden. Praktisch erfolgt die Messung so, daß zunächst bei leerer Küvette eine bestimmte Intensität (in der Regel Minimum oder Maximum) am Detektor D eingestellt wird. Danach wird die Küvette mit der Meßflüssigkeit gefüllt und durch Drehung des Analysators versucht, die vorher eingestellten Intensitätsverhältnisse am Detektor zu reproduzieren. Der Winkel, um den die Polarisationsebene des Analysators A gedreht werden muß um diesen Zustand zu erreichen, ist ein Maß für die optische Aktivität des zu untersuchenden Mediums. Da die im Medium auftretende Drehung der Polarisationsebene durch eine Drehung der Polarisationsebene des Analysators kompensiert wird, spricht man von einem Kompensationsmeßprinzip.Polarimeters are generally used to measure this rotation and have the following basic structure:
The light emerging from a light source L is linearly polarized by means of a polarizer P and passes through a measuring cuvette K. The light emerging from the cuvette passes through a polarizer A serving as an analyzer and arrives at a detector D. Since the intensity of what passes through A to D changes The light changes as a function of the polarization plane of the light, the position of the polarization plane can be concluded from the light intensity measured at D. In practice, the measurement is carried out by first setting a certain intensity (usually minimum or maximum) at detector D when the cuvette is empty. The cuvette is then filled with the measuring liquid and an attempt is made to reproduce the previously set intensity ratios on the detector by rotating the analyzer. The angle through which the plane of polarization of the analyzer A must be rotated in order to achieve this state is a measure of the optical activity of the medium to be examined. Since the rotation of the polarization plane occurring in the medium is compensated for by a rotation of the polarization plane of the analyzer, one speaks of a compensation measurement principle.

Polarimeter nach dem Kompensationsprinzip sind in den verschiedensten Ausführungen mit zum Teil aufwendigen optischen und elektrischen Vorrichtungen zur Verbesserung der Einstellgenauigkeit im Einsatz.Polarimeters based on the compensation principle are in a wide variety Versions with partly complex optical and electrical devices to improve the setting accuracy in use.

Charakteristisch für alle Kompensationspolarimeter, die zur Messung der optischen Aktivität von Medien eingesetzt werden, sind folgende Eigenschaften:Characteristic of all compensation polarimeters used for Measurement of the optical activity of media used are the following characteristics:

- The measurement is carried out in transmitted light, d. H. Polarizer and Analyzer are on opposite sides of the cuvette arranged,
- The polarization plane of the analyzer is rotated either mechanically by moving the polarization filter or a suitable optical auxiliary device or electro-optically by applying a voltage to a suitable one electro-optically active measuring cell (Pockels or Bragg cell).

Die vorgenannten Merkmale bedingen folgende konstruktiven Eigenschaften:The aforementioned features require the following design Characteristics:

- The light is led in and out to the measuring point opposite sides of the measuring section,
- Mechanical or electrical are arranged directly at the measuring location Functional elements that require a supply of auxiliary energy to the measuring point to carry out the measurement.

Somit besitzen die bekannten Kompensationspolarimeter ein oder mehrere der folgenden nachteiligen Eigenschaften:The known compensation polarimeters thus have one or several of the following disadvantageous properties:

- The constructive design as in that to be examined Medium insertable probe is not due to the light path possible,
- The miniaturization of the arrangement is due to the physical and design constraints,
- The supply of auxiliary energy complicates the use complicated environmental conditions that often occur in practice (dirty, aggressive or explosive Surroundings).

Ausschließlich optisch und ohne die Benutzung verstellbarer Funktionselemente ist die Messung des Polarisationszustandes durch die Bestimmung der Stokes-Parameter möglich. Die Stokes- Parameter werden bestimmt, indem das zu untersuchende Licht auf vier Analysatoren A1-A4 gegeben wird, deren Polarisationsebenen um bestimmte Winkel (A1: 0°, A2: 90°, A3 und A4: 45°) gegeneinander gedreht sind, wobei die Phase des auf A4 gelangenden Lichtes zusätzlich noch mittels einer Phasenplatte um 45° verschoben wird. Aus den mittels der Detektoren D1-D4 gemessenen Intensitäten I1-I4 läßt sich der Polarisationszustand des eingestrahlen Lichtes in allen seinen Parametern eindeutig bestimmen.Only adjustable optically and without the use Functional element is the measurement of the polarization state possible by determining the Stokes parameters. The Stokes Parameters are determined by the light to be examined is put on four analyzers A1-A4, their polarization planes by certain angles (A1: 0 °, A2: 90 °, A3 and A4: 45 °) are rotated against each other, whereby the phase of on A4 incoming light additionally by means of a phase plate is shifted by 45 °. From the detectors D1-D4 The polarization state can be measured at intensities I1-I4 of the radiated light in all its parameters clearly determine.

Polarimeter, die auf dieser Grundlage arbeiten, werden auf verschiedenen Gebieten der optischen Meßtechnik eingesetzt. Ihre Verwendung zur Bestimmung der optischen Aktivität ist bisher nicht bekannt. Üblich ist die Verwendung von Kristallpolarisatoren als Analysatoren und die direkte Anordnung der Detektoren hinter den Analysatoren. Das bedingt große geometrische Abmessungen und elektrische Funktionselemente am Meßort mit den bereits oben geschilderten Nachteilen. Polarimeters that work on this basis are based on used in various fields of optical measurement technology. Their use for determining optical activity is not yet known. The use of crystal polarizers is common as analyzers and the direct arrangement of the Detectors behind the analyzers. This requires large geometrical Dimensions and electrical functional elements on Measuring location with the disadvantages already described above.

description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und Vorrichtungen anzugeben, die die Bestimmung der optischen Aktivität, insbesondere von flüssigen Medien unter Anwendung des Prinzips der Bestimmung der Stokes-Parameter ermöglichen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung miniaturisierbare Vorrichtungen unter Verwendung genannten Prinzips anzugeben, die auch als Eintauchsonden verwendet werden können. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die in den Kennzeichen der Patentansprüche aufgeführten Mittel gelöst. Durch die Verwendung von Lichtleitfasern zur Bestimmung der Stokes-Parameter erfolgt eine neuartige erfindungsgemäße Ermittlung der optischen Aktivität, die kleine Meßzellen zu realisieren gestatten und dennoch über eine hohe Meßempfindlichkeit verfügen. Eine räumliche Trennung von Meßzelle und Lichtquelle sowie vom Detektor ist durch die Erfindung leicht möglich. So befinden sich am Meßort nur optische, nicht zu verstellende Bauelemente, die zur eigentlichen Messung keinerlei Hilfsenergie benötigen. Bei entsprechender Gestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie in den Ausführungsbeispielen näher erläutert, ist der Einsatz der Vorrichtung als Eintauchsonde auch unter räumlich beschränkten Einsatzbedingungen möglich.The invention has for its object a method and Specify devices that determine the optical Activity, especially using liquid media of the principle of determining the Stokes parameters. Furthermore, it is an object of the invention to miniaturize devices using the stated principle, which also can be used as immersion probes. According to the invention is the task by in the characterizing part of the claims listed means solved. By the use of Optical fibers are used to determine the Stokes parameters a novel determination of the optical activity according to the invention, allow the small measuring cells to be realized and yet have a high sensitivity. A spatial Separation of measuring cell and light source as well as from the detector is easily possible by the invention. So are at the measurement site only optical, non-adjustable components that are used for actual measurement do not require any auxiliary energy. At corresponding design of the device according to the invention, as explained in more detail in the exemplary embodiments, is the Use of the device as an immersion probe also under spatial limited operating conditions possible.

Durch entsprechende Ausführungen der das Meßprinzip verifizierenden Vorrichtungen können diese sowohl als Eintauchsonden als auch als ein systemintegrierter Bestandteil, bspw. chemischer Fertigungslinien, gestaltet sein, so daß der in den Ausführungsbeispielen genannte Küvettenkörper die Erfindung nicht begrenzt. Entscheidend ist die Weglänge, die das Licht zurücklegt.By appropriate explanations of the verifying the measuring principle Devices can use these both as immersion probes as well as a system-integrated component, e.g. chemical Production lines, be designed so that in the Cuvette bodies called exemplary embodiments the invention not limited. The decisive factor is the path length that the light travels.

Ebenso ist bei vollständiger Bestimmung aller Stokes-Parameter auch die Messung der optischen Aktivität doppeltbrechender Substanzen möglich. The same applies to the complete determination of all Stokes parameters the measurement of optical activity is also birefringent Substances possible.

Embodiments

Die Erfindung soll anhand nachfolgender Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Dabei zeigtThe invention is intended to be illustrated by the following examples are explained in more detail. It shows

Fig. 1 eine mögliche Ausführungsform unter Verwendung von Multimodelichtleitfasern, auf denen Polarisationsfilter zur Bestimmung der Stokes-Parameter angeordnet sind, Fig. 1 shows a possible embodiment using Multimodelichtleitfasern on which polarization filters are arranged for determining the Stokes parameters,

Fig. 2 eine andere mögliche Ausführungsform unter Verwendung polarisationserhaltender Monomodelichtleitfasern zur Bestimmung der Stokes-Parameter, Fig. 2 shows another possible embodiment using polarization-maintaining Monomodelichtleitfasern for determining the Stokes parameters,

Fig. 3 eine Sondengestaltung, bei der die einstrahlende Multmodelichtleitfaser gegenüber den Empfangsfasern angeordnet ist, Fig. 3 shows a probe configuration in which the irradiating Multmodelichtleitfaser is disposed opposite the receiving fibers

Fig. 4 und 5 zwei weitere Sondengestaltung, bei denen Sende- und Empfangsfasern am gleichen Küvettenende angeordnet sind. FIGS. 4 and 5 show two further probe design in which transmission and reception fibers are arranged on the same Küvettenende.

Die im folgenden beschriebenen Vorrichtungen basieren auf einer Küvette 1, die vorteilhafterweise aus einem inerten rohrförmigen Körper, der, wenn die Sonden als Eintauchsonden verwendet werden sollen mit seitlichen, nicht näher dargestellten Durchbrüchen versehen ist, wobei die Küvette zwischen den optisch wirkenden Enden eine Länge von 2 cm bei einem lichten Innendurchmesser von 6,5 mm aufweist. Das eine Ende der Küvette ist mit einer Faseraufnahme entsprechend Fig. 1 oder 2 verschlossen. Das andere Ende trägt abschließende Bauelemente entsprechend der Fig. 3 bis 5.The devices described in the following are based on a cuvette 1 , which advantageously consists of an inert tubular body which, if the probes are to be used as immersion probes, is provided with lateral openings, not shown in more detail, the cuvette having a length between the optically acting ends 2 cm with a clear inner diameter of 6.5 mm. One end of the cuvette is closed with a fiber holder according to FIG. 1 or 2. The other end carries final components according to FIGS. 3 to 5.

In Fig. 1 ist eine Anordnung gezeigt, bei der fünf Multimodelichtleitfasern oder Faserbündel 2 so angeordnet sind, daß sich die außen liegenden Fasern im gleichen Abstand zueinander und zur mittig angeordneten Faser, die als lichtaussendende Faser dient, befinden. Im Beispiel finden 5 ca. 2 m lange PCS- Lichtleitfasern mit einem Kerndurchmesser von 200 µm und einer Apertur von 0,4 Anwendung, die von der Mittenfaser ca. 1 mm beabstandet sind. Auf den Stirnflächen der außen liegenden Fasern sind Polarisationsfilter so angeordnet, daß ihre Polarisationsebenen im Winkel von 0°, 90°, 45° und 45° stehen. Zusätzlich ist auf einem der 45°-Polarisationsfilter eine Phasenplatte 4 (durch andere Schraffur hervorgehoben) angeordnet, die zusätzliche eine Phasenverschiebung der einfallenden Welle bewirkt. Diese sind in einer nicht näher dargestellten Hülse fixiert gehaltert und die freien andern Faserenden sind lichtdicht so gehaltert, daß ihr Licht auf großflächige Si-Fotoempfänger 7 fällt. Zur Beleuchung ist im Beispiel eine Halogenlampe 9 versehen mit einem Interferenzfilter für 589 nm und eine nicht näher dargestellte übliche Optik zur Einkopplung des Lichtes in die Beleuchtungsfaser eingesetzt.In Fig. 1 an arrangement is shown in which five multimode optical fibers or fiber bundles 2 are arranged so that the outer fibers are at the same distance from each other and to the centrally arranged fiber, which serves as the light-emitting fiber. In the example, 5 approx. 2 m long PCS optical fibers with a core diameter of 200 µm and an aperture of 0.4 are used, which are spaced approx. 1 mm from the center fiber. Polarization filters are arranged on the end faces of the outer fibers so that their polarization planes are at an angle of 0 °, 90 °, 45 ° and 45 °. In addition, a phase plate 4 (emphasized by other hatching) is arranged on one of the 45 ° polarization filters, which additionally causes a phase shift of the incident wave. These are held fixed in a sleeve, not shown, and the free other fiber ends are held light-tight so that their light falls on large-area Si photo receivers 7 . In the example, a halogen lamp 9 with an interference filter for 589 nm and conventional optics (not shown in more detail) for coupling the light into the illumination fiber are used for the illumination.

In Fig. 2 sind vier polarisationserhaltende Monomodefasern 3 so wie in Fig. 1 beschrieben so eingesetzt, daß sie um die mittige Multimodefaser 2 gleichmäßig beabstandet sind und ihre Hauptachsen zueinander die in Fig. 1 für die Polarisationsfilter angegebenen Winkel einnehmen. Die Anordnung der Phasenplatte 4 entspricht ebenfalls der der unter Fig. 1 beschriebenen.In FIG. 2, four polarization-maintaining monomode fibers 3 are used, as described in FIG. 1, in such a way that they are evenly spaced around the central multimode fiber 2 and their main axes relative to one another take the angles indicated in FIG. 1 for the polarization filters. The arrangement of the phase plate 4 also corresponds to that described in FIG. 1.

In Fig. 3 ist schließlich eine Küvettengestaltung dargestellt, bei der an einer Stirnfläche ein polarisierendes Bauelement 5 angeordnet ist, das ein durch eine Multimodefaser 2 oder ein Lichtleitfaserbündel eingekoppeltes Lichtbündel linear polarisiert und auf die gegenüberliegende Küvettenstirnfläche abbildet. An dieser Stirnfläche befindet sich eine Anordnung, wie in Fig. 1 oder Fig. 2 beschrieben mit vier Empfängern 7 für polarisiertes Licht und wahlweise einem zusätzlichen, in der Mitte angeordnetem Empfänger für unpolarisiertes Licht, der ein polarisationsunabhängiges Referenzsignal, durch das die gemessenen Intensitäten der anderen Kanäle normiert werden können, liefert.Finally, FIG. 3 shows a cuvette design in which a polarizing component 5 is arranged on one end face and linearly polarizes a light bundle coupled in through a multimode fiber 2 or an optical fiber bundle and images it on the opposite end face of the cuvette. On this end face there is an arrangement, as described in FIG. 1 or FIG. 2, with four receivers 7 for polarized light and optionally an additional, in the middle arranged receiver for unpolarized light, which provides a polarization-independent reference signal through which the measured intensities of the other channels can be standardized.

In Fig. 4 wird eine Vorrichtung beschrieben, in der Lichtsender und -empfänger wie unter Fig. 1 oder 2 beschrieben an der gleichen Stirnseite der Küvette angeordnet sind. Die mittige Faser ist mit einem polarisierenden Element 5 versehen und liefert linear polarisiertes Licht. Die gegenüberliegende Küvettenstirnfläche ist verspiegelt, so daß das einfallende linear polarisierte Licht am Spiegel 6 leicht elliptisch polarisiert und auf die Empfänger, wie in Fig. 3 dargestellt, reflektiert wird. FIG. 4 describes a device in which light transmitters and receivers are arranged on the same end face of the cuvette as described in FIG. 1 or 2. The central fiber is provided with a polarizing element 5 and supplies linearly polarized light. The opposite cell end face is mirrored, so that the incident linearly polarized light at the mirror 6 is slightly elliptically polarized and reflected on the receiver, as shown in FIG. 3.

In Fig. 5 sind Lichtsender und -empfänger wie unter Fig. 4 angeordnet, jedoch besitzt der Lichtsender kein polarisierendes Element, so daß zunächst unpolarisiertes Licht in die Küvette eingestrahlt wird. Vor der verspiegelten Küvettenstirnfläche ist ein polarisierendes Element 8 angeordnet, so daß das auftreffende unpolarisierte Licht linear polarisiert den Spiegel erreicht und das reflektierte Licht nochmals linear polarisiert wird.In FIG. 5, the light transmitter and receiver are as in Fig. 4 are arranged, however, the light transmitter has no polarizing element, so that initially unpolarized light is irradiated into the cuvette. A polarizing element 8 is arranged in front of the mirrored cell end face, so that the incident unpolarized light reaches the mirror in a linearly polarized manner and the reflected light is again linearly polarized.

Die in den Fig. 4 und 5 beschriebenen Vorrichtungen lassen sich besonders vorteilhaft als Eintauchsonden verwenden.The devices described in FIGS. 4 and 5 can be used particularly advantageously as immersion probes.

Mit den beschriebenen Anordnungen sind erstmalig Vorrichtungen angegeben, die die Bestimmung der optischen Aktivität nach dem Prinzip der Bestimmung der Stokes-Parameter ermöglichen.With the arrangements described are devices for the first time indicated that the determination of the optical activity after the Enable the principle of determining the Stokes parameters.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.All in the description, the following claims and the Features shown in drawings can be both individually and also essential to the invention in any combination with one another be.

Claims

1. A method for determining the optical activity of, in particular, liquid media using the principle of determining the Stokes parameters, characterized in that optical fibers, which optionally consist of single-mode fibers or multimode fibers provided with polarization filters, are used to determine the Stokes parameters and these be brought into optical contact with the medium to be examined.

2. Device for performing the method according to claim 1, characterized in that on one side a fixed predetermined path length an optical fiber or an optical fiber bundle polarized light into the subject to be examined Coupled medium and on the parallel opposite Central symmetrical side around a centrally arranged, in Axial direction of the incoming optical fiber, optical fiber without polarization-maintaining agents distributes four optical fibers, called monomode fibers or multimode fibers provided with polarization filters are trained to be determined Stokes parameters are arranged.

3. Device for performing the method according to claim 1, characterized in that on one side a fixed predetermined path length an optical fiber or an optical fiber bundle polarized light into the subject to be examined Coupled medium and distributed around this centrally symmetrical four optical fibers, which as monomode fibers or with polarization filters provided multimode fibers are, according to the Stokes parameters to be determined are arranged and on the parallel opposite Side a mirror is arranged.

4. Apparatus for performing the method according to claim 1, characterized in that on one side a fixed predetermined path length an optical fiber or an optical fiber bundle unpolarized light in the subject to be examined Coupled medium and around this centrally symmetrical distributes four optical fibers, which as monomode fibers or multimode fibers provided with polarization filters are, according to the Stokes parameters to be determined are arranged and on the parallel opposite Side a mirror with a polarizing filter provided is arranged.