偏振计 Polarimeters

2022-10-31 11:12:54 浏览:348

定义

测量光学活性物质引起的光偏振旋转角度的仪器。

偏振计是一种光学仪器,可以精确测量光的偏振旋转角度,例如当它通过光学活性介质(包含手性分子)时。

偏振计的工作原理

偏振计的基本工作原理包括:

  • 一种产生具有精确制备的线性偏振状态的光,通常是通过偏振器。
  • 该光通过光学活性样品发送,该样品在某种程度上旋转偏振方向。
  • 通过样品后,通过将光通过另一个线性偏振器(称为分析仪)来检测偏振的改变方向,该线性偏振器可以绕光束轴旋转。

最简单的方法是将分析仪旋转到光功率传输最小的位置(这应该只是输入功率的很小一部分),并在满足该条件的地方记录角度方向。

图1:设置基本偏振计 。

图1显示了这种仪器的基本光学设置。 使用的方法称为旋光法。

方法的细节和改进

如果使用的光源已经发出线偏振光,则原则上不需要第一个偏振器——例如,各种激光器就是这种情况。 然而,仍然可以使用偏振片,以便获得具有明确方向的可靠高度的线性偏振。

光源不应具有太大的光带宽,因为光活动的程度在该带宽内可能会有所不同,这将导致观察到的最小强度有所扩大,从而降低测量精度。 然而,不需要使用激光作为准单色光源;相反,也可以使用发光二极管LED,例如,或与光学带通滤光片(例如干涉滤光片)结合使用的宽带光源(例如白炽灯)。

使用的偏振片应具有高度消光。 在实践中,人们经常使用尼科尔棱镜或类似的高质量设备。

分析仪的光学支架必须采用精密的机械结构并配备精细刻度,以便用户能够准确确定偏振片轴的角度方向。

所研究的样品最好是相当均匀的,否则将无法获得均匀的偏振旋转量,并且测量精度会降低。

利皮希偏振计是一种更精确的变体。

一种改进的方法,基于奥地利物理学家费迪南德·弗朗茨·利皮希在 19 年后期的干预千世纪,使用一个额外的光学元件,该元件在偏振器之后为大约一半的光束区域引入偏振方向的一些旋转。 然后,对于任何方向,在分析仪之后都无法获得完全的黑暗。 相反,人们调整分析仪以使两个区域的亮度相等。 Lippich的方法允许更精确的测量,主要是因为亮度差异线性取决于角度偏差,而如上所述的简单旋光仪中的亮度取决于与最小强度点的角度偏差的平方。

自动偏振计可以同时方便、快速和准确。

一些先进的偏振计可以执行自动测量,其中分析仪旋转,设备本身确定分析仪的方向,以实现最小的光功率传输。 使用精确的机械驱动器(具有精细的分辨率和高度的可重复性)和优化的软件(例如,将数据用于多个方向,可以拟合曲线),可以获得比手动测量更高的测量精度,并且不仅大大减少了例如一秒而不是多秒的测量时间。 这种仪器也可能非常容易操作,并且不易出现操作员可能的错误。 根据测量的样品旋转角度和长度计算出的光学活性量可以直接出现在数字显示屏上。

有些仪器的分析仪以恒定的角速度连续旋转,并且产生的输出信号的相位用于得出光学活动。

代替可旋转的分析仪,可以将法拉第旋转器与安装在分析仪前面的线圈结合使用,在这种情况下不需要旋转。 然后可以确定通过线圈所需的电流,该线圈通过法拉第效应产生适量的光学活动,从而达到通过分析仪的最小传输。 这种方法既准确又快速。

偏振计在研究和工业中的应用

偏振计可用于科学研究和工业中,只要必须确定物质的光学活性大小。 如果物质的比旋度已经知道,并且例如溶解在水中,则可以根据测量的光学活性程度确定物质的浓度。 例如,通过这种方法,人们可以准确快速地确定水中糖的浓度,这在制糖工业和葡萄酒生产中具有实际意义。 这种用于测量糖浓度的仪器称为糖度计。

在某些情况下,物质是两种对映异构体的混合物,即彼此镜像的分子版本。 它们中的每一个都有一个符号的光学活性,即两个对映体向不同方向旋转偏振方向,并且两个对映体的角旋转贡献只是相加 - 例如在外消旋体的情况下为零,即两种对映体密度相等的混合物。 在许多其他方面,例如折射率和光吸收,这些类型的分子以相同的方式表现。 然后,光学活性的测量可用于确定两种版本的浓度比。 然而,在生物学背景下,人们通常基本上只有两种可能的对映异构体中的一种,并且光学活性测量更有可能仅用于测量该版本的浓度。

光学测量

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