一種適于小角度測量的旋光角度測量方法研究

1、第30卷第11期大學物理Vol30No112011年11月COLLEGE PHYSICS Nov2011 收稿日期:20100617;修回日期:20110329作者簡介:夏桂珍(1976,女,上海金山人,武警上海政治學院實驗室管理中心副教授,碩士,主要從事大學物理及大學物理實驗的教學和科研工作,研究方向:光電精密測試技術櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍殻殻殻殻物理實驗一種適于小角度測量的旋光角度測量方法研究夏桂珍(武警上海政治學院實驗室管理中心,上海200435摘要:通過對輸出信號的分析,提出了一種適于小角度測量的旋光角度測量方法,此方法通過檢測經(jīng)過旋光物質并經(jīng)法拉第磁光調(diào)制的信號與不加旋光物質而僅經(jīng)

2、法拉第磁光調(diào)制的信號的波形寬度來實現(xiàn)對旋光物質旋光角度的測量同時,利用搭建的測試系統(tǒng),配置不同濃度的白砂糖溶液進行了驗證性實驗實驗結果表明,旋光角度與溶液濃度之間成很好的線性關系,線性擬合系數(shù)達到了0.998以上,旋光角度測量的分辨率可達到0.01關鍵詞:旋光角度;法拉第磁光效應;小角度測量中圖分類號:O 436.3文獻標識碼:A文章編號:1000-0712(201111-0028-04旋光角度的測定,可以分析旋光物質的濃度或含量,被廣泛地應用在食品加工、有機化工和生化分析等領域1-3目前廣泛使用的各類旋光儀主要采用消光法來實現(xiàn)旋光角度的測量4,特別是各類國產(chǎn)的旋光儀,通常采用法拉第磁光調(diào)制,

3、電機帶動機械轉角裝置,調(diào)整檢偏器位置來實現(xiàn)消光這種檢測方法,要提高測量的精度,必須要有一套精密的轉角系統(tǒng)和轉角的測量系統(tǒng),其成本高而且系統(tǒng)復雜;同時,由于機械的磨損也會帶來比較大的測量誤差本文通過對輸出信號的分析,提出了一種適于小角度測量的旋光角度測量方法,此方法通過檢測加入旋光物質并經(jīng)法拉第磁光調(diào)制的信號與沒有加旋光物質時輸出的調(diào)制信號的波形寬度來實現(xiàn)旋光角度的測量此方法省去了傳統(tǒng)旋光儀中的電機及相應的伺服電路和機械傳動部分,大大降低了成本1測試原理此測量方法建立在起偏器和檢偏器調(diào)正交的位置上給法拉第線圈加上頻率為50Hz 的交變電壓后,產(chǎn)生交變的磁場,由于磁致旋光效應5,使通過起偏器的線偏

4、振光的振動面按角頻率和幅值振蕩(如圖1(a 所示,此振蕩以OP 軸為中心當放入旋光角度為的旋光物質后,光的偏振面發(fā)生了偏轉,變?yōu)橐設A '為中心軸,相同角頻率和幅值的振蕩(如圖1(b 所示其中,OP 是起偏器P 的偏振軸,OQ 是檢偏器Q 的偏振軸,且兩者正交圖1經(jīng)過調(diào)制器后的偏振化方向示意圖由馬呂斯定律可知,當起偏器和檢偏器偏離正交位置角時,透過檢偏器的光強為I =TI 0sin 2(1式中T 為光的透過率,I 0為通過起偏器后的線偏振光的光強在正交的起偏器和檢偏器間加入法拉第磁光調(diào)制器和旋光角度的待測旋光溶液后,則透過檢偏器的光強為I =TI 0sin 2+sin (t (2式中:

5、為旋光物質的旋光角度,為法拉第磁光調(diào)制角的幅值,與法拉第磁光調(diào)制器的材料、長度、入射光波頻率及線圈中所加的電壓幅值有關5-7,為其調(diào)制角頻率,t 表示時間第11期夏桂珍:一種適于小角度測量的旋光角度測量方法研究29若設被測物質產(chǎn)生的旋光角及調(diào)制振幅較小,則式(2可以近似表示為I =TI 0+sin (t 2(3當在相互正交的起偏器與檢偏器之間沒有旋光物質,即=0時,I =TI 02sin 2(t =12TI 0212TI 02cos (2t (4當在相互正交的起偏器與檢偏器之間存在旋光物質,即0時,I =TI 0+sin (t 2=TI 02+2sin (t +2sin 2(t (5 圖2加旋

6、光物質與未加旋光物質時的輸出交流信號理論波形(其中=230,0,=25rad ·s 1,點a 、c 、p 、b 分別與圖1(b 中偏振面處于OA '、OC '、OP 、OB '位置時相對應分析式(4、(5可知,當在相互正交的起偏器與檢偏器之間有旋光物質和沒有旋光物質時所得到的輸出信號波形是不同的,濾去直流信號后,輸出的交流信號理論波形如圖2所示,虛線為未加旋光物質時的輸出波形,實線為加入旋光物質后的輸出波形可以看到,不加旋光物質時,所得到的輸出信號的頻率是法拉第調(diào)制信號頻率的2倍,即100Hz ;而當在兩正交的偏振片之間加入旋光物質后,所得到的輸出信號的頻率與

7、法拉第調(diào)制信號的頻率相同,仍為50Hz ,但在一個周期內(nèi)出現(xiàn)了一大一小的兩個波峰,這兩個波峰的幅值和寬度會隨著旋光角度(或溶液濃度的不同而發(fā)生變化當旋光角度接近于零時,這兩個波峰的幅值及寬度均相近,波形接近于虛線所示,隨著的增大,其中一個波峰的寬度及幅值均變大,而另一個波峰的寬度及幅值均變小,但總的兩個波峰的寬度之和仍與法拉第磁光調(diào)制的周期相等并且,隨著的逐漸增大接近于,這兩個波峰的差異越來越明顯因而只要通過檢測不同濃度下旋光物質的輸出波形的這兩個波峰寬度,就可以計算出相應的旋光角度對于這個角度的計算我們簡單推導如下設由法拉第線圈調(diào)制所引起的偏振面的旋轉角為=sin (t (6首先考慮右旋的情

8、況,如圖1(b 所示,當t =0時,偏振面處于OA '處,此時=0相應的偏振面轉到OC '時為t 1,再次回到OA '時為t 2,到OP 時為t 3可見,旋光角度即為當偏振面從OA '轉到OP ,或者說從t 2時刻到t 3時刻所轉過的角度的負值得到=t 3t 2d =t 3t 2d (sin t =(sin t 3sin t 2(7將t 2=T 2,t 3=T 大2+T4,=2T代入式(7,得到=cosT 大T (=cos T 小T(8同理可推得,若為左旋,則旋光角度為=cos T 大T (=cos T小T(9式中,T 為法拉第磁光調(diào)制的周期(T =T 大+T

9、小,T 大、T 小如圖2所示因此,只要從波形圖中測出這兩個時間,就可以由式(8或式(9計算出旋光物質的旋光角度2實驗與結果實驗測試系統(tǒng)原理框圖如圖3所示He Ne 激光器發(fā)出波長為6328nm 的光,經(jīng)起偏器變成沿某一方向振動的線偏振光,通過法拉第磁光調(diào)制器形成偏振面隨法拉第線圈中交變電壓變化而變化的周期性平面偏振光,再經(jīng)過待檢測的旋光溶液后從檢偏器中出來,被光電池接收并將光信號轉變?yōu)殡娦盘?此信號經(jīng)前置放大和濾波放大電路后送入示波器觀察波形,最后經(jīng)USB 接口輸入到計算機進行數(shù)據(jù)的采集和處理圖3實驗測試系統(tǒng)原理框圖30大學物理第30卷 實驗中,我們配置了一系列濃度的白砂糖溶液,利用搭建的實驗

10、裝置,對旋光角度的測量進行了驗證性實驗圖4是溶液濃度C =025g /100ml 時所觀察到波形的示波器截圖,此波形與理論波形是完全吻合的 圖4溶液濃度C =025g /100ml 時的示波器波形截圖實驗中,我們對一系列濃度的白砂糖溶液的旋光角度進行了測試表1是溫度為15時所得到的一組旋光角度值,其中=2.30,旋光管長度L =1dm ,旋光角度的值由開發(fā)設計的實驗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)自動計算得到表1不同濃度下白砂糖溶液的旋光角度(T =002000s C /g ·(100ml 1000025050075100T 小/s 001000000962000923000886000847/(000

11、 014028041055C /g ·(100ml 1125150175200225T 小/s 0.008090.007650.007260.006800.00638/(0.680.830.96 1.11 1.24C /g ·(100ml 1250275300325350T 小/s 0.005840.005330.004870.004320.00371/(1.401.541.661.791.92此數(shù)據(jù)的C 擬合曲線如圖5所示由圖可見,旋光角度與溶液濃度C 之間成很好的線性關系,線性擬合系數(shù)R 達到了0.99947,與理論預期相吻合,本實驗方法的可行性和正確性得到了驗證為進一

12、步確定本測試系統(tǒng)的測量精確度及分辨率,我們在0g /100ml 0.25g /100ml 的小濃度范圍內(nèi)又配置了一系列濃度的白砂糖溶液,并在15圖5可測濃度范圍內(nèi)的C 擬合曲線(k =54.96ml ·g 1條件下對其旋光角度進行了測量,將所得的數(shù)據(jù)以溶液濃度C (g /100ml 為橫坐標,旋光角度(度為縱坐標作圖,并進行曲線擬合,如圖6所示從圖6中可以看到,旋光角度與溶液濃度之間呈比較好的線性關系,線性擬合度R 達到了099829旋光角度隨溶液濃度的增大而幾乎線性地增大,溶液濃度每增加0015g /100ml ,相應的旋光角度理論上應增加0008,實驗所得數(shù)據(jù)與理論值的平均偏差為

13、0002,最大偏差為0005,小于001由此可見,即使在溶液濃度較小的情況下,系統(tǒng)也能較準確地測量出其對應的旋光角度,旋光角度測量的分辨率可達到001圖6小濃度條件下C 擬合曲線(k =54.25ml ·g 13結論本文通過對旋光信號的分析,提出了通過測量波形寬度來實現(xiàn)旋光角度測量的方法,與傳統(tǒng)的旋光儀利用光學零位的方法測量旋光角度相比,由于省去了精密轉角系統(tǒng)和轉角測量系統(tǒng),因而具有系統(tǒng)簡單、成本低、測量精度高、能進行小角度測量等第11期夏桂珍:一種適于小角度測量的旋光角度測量方法研究31優(yōu)點,具有非常好的應用價值搭建了相關的測試系統(tǒng),并對不同濃度的白砂糖溶液進行了實驗測試,實驗結果

14、表明,旋光角度與溶液濃度之間成很好的線性關系,線性擬合系數(shù)達到了0998以上,旋光角度測量的分辨率可達到001參考文獻:1King H J,Chou C,Lu S T,Optical heterodyne polarime-ter for measuring the chiral parameter and the circular re-fraction indices of optical activityJOpt Lett,1993,18(22:1970-19722Gomez P,Hernandez C,Highaccuracy universal polar-imeter measur

15、ement of optical activity and birefringencr ofquartz in the presence of multiple reflectionsJJOpt Soc Am B,1998,15(3:1147-11543Baba J S,Cameron B D,Theru S,et alEffect of tem-perature,pH,and corneal birefringence on polarimetricglucose monitioring in the eyeJJ Bio Opt,2002,7(3:321-3284鄭穎君旋光角度測量原理的研究

16、J計量學報,2000,21(4:268-2725黃平,張懷武磁光調(diào)制鎖相橢偏儀與多層磁光薄膜測試系統(tǒng)J儀器儀表學報,2000,21(4:416-4186艾延寶,金永君法拉第磁致旋光效應及應用J物理與工程,2002(5:50-517李幫軍磁旋光效應實驗的旋光特性研究和數(shù)據(jù)分析J光譜實驗室,2005,22(4:707-710Research on detection method of optical rotation measurement for small angleXIA Gui-zhen(Laboratory Management Centre,CAPF Shanghai Institu

17、te of Politics,Shanghai200435,ChinaAbstract:A detection method of optical rotation measurement for small angle is proposed by the analysis of output signalsTwo kinds of light signals are detected in the experimentOne is detected,after it is sent through the optically active solution and modulated by

18、 Faraday coilThe other is just modulated by Faraday coilBy measuring the width of the waveform of these signals,the optical rotation can be obtainedMeanwhile,based on the already built system,sugar solutions with different concentrations are prepared for measurementThe experimental results show that there is a good linear relation between the solution concentration and the optical rotationThe goodness for linear fitting is up to0998The resolving capability of optical rotation can