CN109520936A - 基于晶体尖劈干涉实现的旋光度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于晶体尖劈干涉实现的旋光度测量方法，属于工业测量技术领域。光源出射的光经起偏器起偏后得到线偏振光，通过透明物质时偏振面发生旋转，旋转角度的大小与旋光度成正比，线偏振光经过1/4波片后变为圆偏振光，即两束等振幅正交线偏振光o光和e光，由于晶体的双折射，通过晶体尖劈的o光和e光产生光程差，经检偏器产生干涉，转换为具有暗纹的条形光斑，条形光斑随线偏振光偏振面的旋转直线移动，移动的方向即为旋光方向，通过PSD位移传感器测量条形光斑移动的距离和方向，实现对透明物质旋光度的测量。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
技术领域
本发明涉及工业测量技术领域，特别涉及一种基于晶体尖劈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晶体尖劈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。本发明的测量是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，利用晶体尖劈将偏振面的旋转转化为干涉条纹的水平移动，光斑移动的方向即为旋光方向，通过PSD位移传感器检测条纹的位移量和方向，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：
基于晶体尖劈干涉实现的旋光度测量方法，光源1出射的光经起偏器2起偏后得到线偏振光，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，线偏振光经过1/4波片4后变为圆偏振光，即两束等振幅正交线偏振光o光和e光，由于晶体的双折射，通过晶体尖劈5的o光和e光产生光程差，经检偏器6产生干涉，转换为具有暗纹的条形光斑，条形光斑随线偏振光偏振面的旋转直线移动，移动的方向为旋光方向，通过PSD位移传感器7测量条形光斑移动的距离和方向，实现对透明物质旋光度的测量。
所述的透明物质3的旋光性使通过透明物质的线偏振光的偏振面产生旋转，利用晶体尖劈5将偏振面的旋转角转化为干涉条纹的水平移动。
通过PSD位移传感器7检测干涉条纹的位移量，实现对透明物质旋光度的测量，光斑移动的方向即为旋光方向。
本发明的有益效果在于：
基于透明物质的旋光性使线偏振光的偏振面产生旋转，利用晶体尖劈将偏振面的旋转角转化为干涉条纹的水平移动，光斑移动的方向即为旋光方向，通过PSD位移传感器检测条纹的位移量和方向，实现对透明物质旋光度的测量。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。
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为本发明的原理示意图；
图2为本发明的晶体尖劈结构示意图。
图3为本发明的线偏光通过晶体尖劈和检偏器后形成的干涉图像。
图中：1、光源；2、偏振片；3、透明物质；4、1/4波片；5、晶体尖劈；6、检偏器；7、PSD位移传感器。
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，本发明的基于晶体尖劈干涉的测量原理是：
光矢量通过一带有劈角的双折射晶体(晶体尖劈)时，被分解成o光和e光。由于o光和e光的折射率不同，透过晶体尖劈后将产生相位差。假设透光位置距离晶体劈尖角横向位置为x，对应的晶体劈厚度为d，晶体劈劈角为α，如图2所示，根据等厚干涉原理，则o光和e光产生的光程差为
δ＝(ne-no)d＝(ne-no)(tanα)d (1)
其中式中no和ne分别是石英晶体o光和e光折射率。
根据光程差计算相位差
其中λ为入射光的波长。
设光矢量进入晶体尖劈前o光和e光的相位差为0，则出射光强分布为
可见，图像的光强分布与有关。当连续变化时，光强周期性的由最弱变为最强再变为最弱，最终形成竖直方向的亮暗交错条纹图像，如附图3所示。其中相位差等于π的偶数倍时光强最弱；而等于π的奇数倍时光强最强。
参见图1至图3所示，本发明的基于晶体尖劈干涉实现的旋光度测量方法，包括光源1、偏振片2、透明物质3、1/4波片4、晶体尖劈5、检偏器6、PSD位移传感器7，所述光源1设置在偏振片2的一侧，透明物质3设置在偏振片2的另一侧；1/4波片4置于透明物质3和晶体尖劈5之间，检偏器6的一侧为晶体尖劈5，另一侧为PSD位移传感器7；所述光源1出射的光经起偏器2起偏后得到线偏振光，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，线偏振光经过1/4波片4后变为圆偏振光，即两束等振幅正交线偏振光o光和e光，由于晶体的双折射，入射到晶体尖劈5的o光和e光产生光程差，经检偏器6产生干涉，转换为具有暗纹的条形光斑，条形光斑随线偏振光偏振面的旋转直线移动，移动的方向为旋光方向。再通过PSD位移传感器7测量条形光斑移动的距离和方向，实现对透明物质旋光度的测量。透明物质3的旋光性使通过透明物质的线偏振光的偏振面产生旋转，利用晶体尖劈5将偏振面的旋转角转化为干涉条纹的水平移动。通过PSD位移传感器7检测干涉条纹的位移量，实现对透明物质旋光度的测量，光斑移动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β(°/mm)，则
θ＝βd (4)
其中β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
β＝ρC (5)
其中C是溶液浓度，ρ是比旋光度，是与物质有关的常数。
以琼斯矩阵表达穿过透明物质后的线偏振光
线偏振光通过1/4波片后变为圆偏振光，其琼斯矩阵变为
设晶体尖劈的快慢轴与λ/4波片的方位角为45°，线偏振光通过晶体尖劈后形成相位差分布，其琼斯矩阵变为
再通过检偏器后，琼斯矩阵变为
此时光强分布为
因此图像的光强分布与光矢量旋转角度θ以及相位差有关。当光矢量旋转角度θ变化时，条纹位置随之变化，因此可通过检测条纹的位移量，实现θ的测量。
由式(1)，不同横坐标位置得到的光程差不同。当横坐标为x1和x2时光程差变化量Δδ为
Δδ＝(x1-x2)(ne-no)tanα＝Δx(ne-no)tanα (9)
结合式(2)，当光程差变化量Δδ等于入射光的波长λ时，变化2π，由式(8)可知明暗条纹移动了全波行程的距离。因此将Δδ＝λ代入式(9)计算得到全波行程Δxλ为
此时式(2)可转化为
以晶体劈顶点为例(此处等于零)，当光矢量旋转角度θ为零时可得到暗条纹(按位置定义为首条暗条纹)；而θ变化时，为了满足等于零的条件，首条暗条纹坐标位置发生改变。此时法拉第旋转角与首条暗条纹横坐标之间的关系为
则θ变化量为
可见光矢量旋转角度θ变化量与首条暗条纹的横坐标变化量呈线性关系。由于暗条纹的间距(全波行程)是固定的，任意暗条纹位移量均等于首条暗条纹位移量。因此只要测量任意一条暗条纹的位移量即可计算得到θ，从而实现旋光度的测量。
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WPQ05M-808四分之一波片，工作波长为808nm；采用的晶体尖劈劈角为1°；采用光敏面为9mm×9mm的一维PSD，波长范围为400-1200nm；将待测溶液为纯净水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D-葡萄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)
1.一种基于晶体尖劈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）起偏后得到线偏振光，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，线偏振光经过1/4 波片（4）后变为圆偏振光，即两束等振幅正交线偏振光o光和e光，由于晶体的双折射，通过晶体尖劈（5）的o光和e光产生光程差，经检偏器（6）产生干涉，转换为具有暗纹的条形光斑，条形光斑随线偏振光偏振面的旋转直线移动，移动的方向即为旋光方向，通过PSD位移传感器（7）测量条形光斑移动的距离和方向，实现对透明物质旋光度的测量。
2.根据权利要求1所述的基于晶体尖劈干涉实现的旋光度测量方法，其特征在于：所述的透明物质（3）的旋光性使通过透明物质的线偏振光的偏振面产生旋转，利用晶体尖劈（5）将偏振面的旋转角转化为干涉条纹的水平移动。
3.根据权利要求1所述的基于晶体尖劈干涉实现的旋光度测量方法，其特征在于：通过PSD位移传感器（7）检测干涉条纹的位移量，实现对透明物质旋光度的测量，光斑移动的方向即为旋光方向。
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