Поляриметры, виды, принцип действия

Что такое поляриметр?

"Поляриметр - прибор для измерения угла поворота оптической поляризации, вызванной оптически активными веществами..."

Полезные статьи:

Поляризация света, свойства

Что такое интерферометры?

Все статьи

Принцип действия поляриметров

Основной принцип работы поляриметра заключается в следующем:

• Один генерирует свет с точно подготовленным состоянием линейной поляризации.
• Этот свет проходит через оптически активный образец, который изменяет направление поляризации.
• После прохождения через образец обнаруживается измененная ориентация поляризации путем пропускания света через другой линейный поляризатор, который можно поворачивать вокруг оси луча.

Самый простой метод заключается в повороте анализатора в положение, при котором пропускаемая оптическая мощность минимальна. Должна составлять лишь очень малую долю входной мощности и регистрации угловой ориентации там, где это условие выполняется.

Физические свойства

Детали и усовершенствования метода

Первый поляризатор в принципе не нужен, если используемый источник света уже излучает линейно поляризованный свет. Например, это имеет место для различных видов лазеров. Однако поляризатор все еще можно использовать для получения надежно высокой степени линейной поляризации с четко определенной ориентацией.

Источник света не должен иметь слишком большой оптической полосы пропускания, поскольку степень оптической активности может варьироваться в пределах этой полосы пропускания, и это привело бы к некоторому расширению наблюдаемого минимума интенсивности. Следовательно, к снижению точности измерения. 

Тем не менее, нет необходимости использовать лазер в качестве квази-монохроматического источника света. Вместо этого можно также использовать, например, светоизлучающий диод LED или существенно более широкополосный источник света (лампу накаливания) в сочетании с оптическим полосовым фильтром (например, интерференционным фильтром).

Используемые поляризаторы должны иметь высокую степень затухания. На практике часто используются призмы Николя или аналогичные высококачественные устройства.

Оптическое крепление анализатора должно быть выполнено с использованием точной механики и оснащено тонкой шкалой, позволяющей пользователю точно определять угловую ориентацию оси поляризатора.

Предпочтительно, чтобы исследуемый образец был достаточно однородным, поскольку в противном случае не было бы получено равномерного поворота поляризации, и точность измерения была бы снижена.

Усовершенствованный метод, основанный на вмешательстве австрийского физика Фердинанда Франца Липпиха в конце 19^го века, использует дополнительный оптический элемент, который вносит некоторое изменение направления поляризации примерно на половине площади луча после поляризатора. 

В этом случае после анализатора невозможно достичь полной темноты при любой ориентации. Вместо этого анализатор настраивается на одинаковую яркость обеих областей. 

Подход Липпича позволяет проводить более точные измерения, в основном потому, что разница в яркости линейно зависит от углового отклонения, в то время как яркость в простом поляриметре, как описано выше, зависит от квадрата углового отклонения от точки минимальной интенсивности.

Некоторые усовершенствованные поляриметры могут выполнять автоматические измерения, при которых анализатор поворачивается, а само устройство определяет ориентацию анализатора для передачи минимальной оптической мощности. 

Используя точный механический привод с высоким разрешением и высокой степенью воспроизводимости и оптимизированное программное обеспечение, можно получить существенно более высокую точность измерений. Это значительно быстрее, чем при ручных измерениях, а не только значительно сократить время измерения. 

Например, на одну секунду вместо нескольких секунд. Такой прибор также может быть довольно простым в обращении и менее подвержен возможным ошибкам оператора. Величина оптической активности, рассчитанная по измеренному углу поворота и длине образца, может отображаться непосредственно на цифровом дисплее.

Существуют приборы, в которых анализатор непрерывно вращается с постоянной угловой скоростью, а фаза результирующего выходного сигнала используется для определения оптической активности.

Вместо вращающегося анализатора можно использовать вращатель Фарадея в сочетании с проволочной катушкой, установленной перед анализатором, который в этом случае не нужно поворачивать. 

Затем можно определить требуемый электрический ток через катушку, который обеспечивает подходящую оптическую активность благодаря эффекту Фарадея, так что достигается минимальное пропускание через анализатор. Этот метод может быть как довольно точным, так и быстрым.

Применение поляриметров в исследованиях и промышленности

Поляриметры могут использоваться в научных исследованиях и в промышленности везде, где необходимо определить величину оптической активности вещества. Если специфическое вращение вещества уже известно, и оно, например, растворено в воде, концентрацию вещества можно определить по измеренной степени оптической активности. 

Например, с помощью этого метода можно точно и быстро определить концентрацию сахара в воде, что представляет практический интерес, например, в сахарной промышленности и для производства вин. Такие приборы для измерения концентрации сахара называются сахариметрами.

В некоторых случаях вещество представляет собой смесь двух энантиомеров, то есть версий молекул, которые являются зеркальными отображениями друг друга. Каждый из них обладает оптической активностью одного знака, т.е. два энантиомера изменяют направление поляризации в разных направлениях, и вклад обоих энантиомеров в угловое вращение просто суммируется – например, равен нулю в случае рацемата. 

Т.е. смеси с равной плотностью обоих энантиомеров. Во многих других отношениях, таких как показатель преломления и поглощение света, эти типы молекул ведут себя идентичным образом. Измерение оптической активности затем может быть использовано для определения соотношения концентраций обеих версий. 

Однако в биологическом контексте часто по существу имеется только один из двух возможных энантиомеров, и измерения оптической активности, скорее всего, будут использоваться просто для измерения концентрации этой версии.