一种基于圆偏振光的反射增强型旋光仪的制作方法

本实用新型属于光电领域，具体涉及一种基于圆偏振光的反射增强型旋光仪。

背景技术：

在各类物理实验和化工分析中，常会出现对旋光物质溶液的浓度和比旋光度的测量。目前人们使用的仪器通常为旋光管，依靠人工，磁致旋光效应或者机械搜索方式进行旋光角度的测量。近年来，国内有提出使用对称的偏振片将旋光角度转化为光强的仪器设计。但当溶液浓度较低，旋光角较小时，以上所有方法的精确度都会受到影响。其根源在于：与磁致旋光不同，光在自然旋光物质中来回渡越时，旋光角不会叠加，而是会相互抵消，如图1所示。但旋光管又不能做的太长，因此产生了限制。同时，即使通过一些手段，使光束在两组镜面中反射时偏转角能够叠加，但由于不能采用平行平面腔的结构(输出光束的成分会比较复杂)，若要往返增强，则每一次入射都不能是正入射，这会导致光波的p分量和 s分量对应不同的反射率，使得偏转角度不仅受到旋光溶液的影响，还受到多次反射的起偏效果的影响，直接干扰最终读数的准确性。

而假如我们能找到一些方法，使得光束在若干组镜面间反射时光振动矢量的偏转角(旋光角)能够叠加而不是互相抵消，就可以反复的利用旋光管的长度，提高测量准确性。但还有一个问题存在，即：光在镜面处反射时会受到起偏效应的影响，而光矢量的偏转角不能受到除了旋光溶液以外其他任何因素影响，因此必须使用平行平面腔的结构，使得每一次反射都是正入射，消除起偏效应。但这样又会使得光永远无法出射，因此反射面之间必须有一角度，但这样又回到了刚才“光矢量的偏转角不能受到除了旋光溶液以外其他任何因素影响”这个问题，陷入了循环。

总结来说，要在两个方面突破：1、如何使反射后的旋光角能够累加起来而不互相抵消；2、如何在使用反射镜的同时避开起偏效应。这也是本专利解决的两大关键问题。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术中的不足，提供一种基于圆偏振光的反射增强型旋光仪。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种基于圆偏振光的反射增强型旋光仪，其特征在于，包括：半导体激光器、偏振片一、分束器、全反射镜一、全反射镜二、全反射镜三、1/4波片一、1/4 波片二、溶液池和偏振片二；所述半导体激光器发射一束部分偏振光，所述部分偏振光沿水平传播，其传播路径方向为Z方向，部分偏振光通过偏振片一，产生一束Y方向偏振的线偏振光，Y方向为水平面上与Z方向相垂直的方向；所述线偏振光经过分束器被分离为两束Y方向线偏振光，其中，透射光束保持传播方向不变，反射光束经过全反射镜一调整方向，与透射光束平行，透射光束经过全反射镜二、全反射镜三调整，使其光程与反射光束一致；所述透射光束通过快轴与Y方向成-45°的1/4波片一后，产生右旋圆偏振光，所述反射光束通过快轴与Y方向成45°的1/4波片二后，产生左旋圆偏振光；所述右旋圆偏振光和左旋圆偏振光经过溶液区后，汇合在Y方向的偏振片二上。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

所述溶液池包括依次排布的双玻璃管连体结构和磁致旋光部件。

所述双玻璃管连体结构内部填充有溶液，包括平行排布且中部相连通的玻璃管一和玻璃管二；

所述玻璃管一的入射端和出射端相对地设置有全反射镜四和全反射镜六，所述全反射镜四的反射面密接有快轴方向均与Y轴方向成-45°的1/4波片七和1/4 波片八，所述全反射镜六的反射面密接有快轴方向均与Y轴方向成45°的1/4波片九和1/4波片十，右旋圆偏振光从玻璃管一的入射端入射，依次经过1/4波片十、全反射镜六、1/4波片九、1/4波片八、全反射镜四、1/4波片七后，从玻璃管一的出射端出射；

所述玻璃管二的入射端和出射端相对地设置有全反射镜五和全反射镜七，所述全反射镜五的反射面密接有快轴方向均与Y轴方向成45°的1/4波片五和1/4 波片六，所述全反射镜七的反射面密接有快轴方向均与Y轴方向成-45°的1/4波片三和1/4波片四，左旋圆偏振光从玻璃管二的入射端入射，依次经过1/4波片三、全反射镜七、1/4波片四、1/4波片五、全反射镜五、1/4波片六后，从玻璃管二的出射端出射。

所述玻璃管一、玻璃管二、全反射镜四、全反射镜五、全反射镜六、全反射镜七、1/4波片三、1/4波片四、1/4波片五、1/4波片六、1/4波片七、1/4波片八、1/4波片九、1/4波片十的出射端面均与光线路径垂直。

所述磁致旋光部件包括磁旋光玻璃一和磁旋光玻璃二，所述磁旋光玻璃一缠绕线圈，所述磁旋光玻璃二不缠绕线圈，线圈电流由可控电流源控制，所述电流源与计算机连接通信；

右旋圆偏振光从玻璃管一中出射后经过磁旋光玻璃二形成出射光束一，左旋圆偏振光从玻璃管二中出射后经过磁旋光玻璃一形成出射光束二，所述出射光束一和出射光束二经过一段距离后自然汇合在偏振片二。

所述偏振片二安装在暗盒中，偏振片二通过机械结构放下和升起，偏振片二的后面紧贴有硅光电池探测器，所述硅光电池探测器产生的光强数据被传入计算机进行处理。

本实用新型的有益效果是：本装置依靠波片的组合，人工引导相位变化，使得光束在旋光溶液中折返时，旋光角能够累加。同时将线偏振光分解为左旋与右旋圆偏振光，将旋光角的信息在压缩到相位信息中去，避开了多次反射对光线的起偏效应。能够显著放大旋光角，实现更高精度的旋光度/浓度测量以及动态监测。

附图说明

图1是光束在旋光溶液中反射一次，入射和反射过程中产生的两个旋光角互相抵消的情况示意图。

图2是光学系统与探测系统的设计示意图。

图3a是溶液池双玻璃管连体结构的示意图。

图3b是溶液池磁致旋光部件的示意图。

图4是菲涅尔对旋光现象的解释示意图。

图5是相关坐标系的关系示意图。

图6是相关坐标系的关系示意图。

图7是在反射端进行人工引导，使得旋光角累加的原理示意图。

图8是非垂直入射对偏振方向的影响示意图。

图9是过程解释示意图。

附图标记如下：半导体激光器1、偏振片一2、分束器3、全反射镜一4、全反射镜二5、全反射镜三6、1/4波片一7、1/4波片二8、偏振片二9、机械结构10、暗盒11、硅光电池探测器12、计算机13、全反射镜四14、全反射镜五15、全反射镜六16、全反射镜七17、1/4波片三18、1/4波片四19、1/4波片五20、 1/4波片六21、1/4波片七22、1/4波片八23、1/4波片九24、1/4波片十25、磁旋光玻璃一26、磁旋光玻璃二27、电流源28、玻璃管一29、玻璃管二30；

部分偏振光L1、线偏振光L2、透射光束L3A、反射光束L3B、右旋圆偏振光L4A、左旋圆偏振光L4B、出射光束一L5A、出射光束二L5B。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。

本实用新型主要包括以下部分：

一、光学系统与探测系统部分

如图2所示，由半导体激光器1发射一束部分偏振光L1，通过偏振片2，产生一束Y方向偏振的线偏振光L2，这一束光经过分束器3被分离为两束能量近似相同的Y方向线偏振光，透射光束L3A保持传播方向不变，反射光束L3B 经过全反射镜一4调整方向，与透射光束L3A平行，为了保持两束光同相位，使用全反射镜二5、全反射镜三6调整透射光束L3A的光程，使其与反射光束 L3B一致。

两束Y方向的线偏振光L3A、L3B各自通过快轴与Y轴方向成-45°和45°的1/4波片一7、1/4波片二8，产生右旋圆偏振光L4A和左旋圆偏振光L4B。两束光经过溶液池后，各自产生不同的附加位相ΔR和ΔL。对于不同的物质，ΔR 和ΔL的大小关系不同。

经过溶液区14-30后，出射后的两束光记为出射光束一L5A和出射光束二 L5B。出射光束一L5A、出射光束二L5B经过一段距离后自然汇合在Y方向的偏振片9上，偏振片9由机械结构10放下或升起，使用暗盒11屏蔽周围环境的杂散光，硅光电池探测器12紧贴在偏振片9后面，产生的光强数据被传入计算机13进行处理。

二、溶液池部分

第一部分是双玻璃管连体结构，如图3a所示，双玻璃管连体结构内部填充有溶液，包括平行排布且中部相连通的玻璃管一29和玻璃管二30，内部包括四块全反射镜14、15、16、17、快轴方向与Y轴成-45°方向放置的1/4波片18、 19、22、23和快轴方向与Y轴方向成45度方向放置的1/4波片20、21、24、25。

玻璃管一29的入射端和出射端相对地设置有全反射镜四14和全反射镜六 16，全反射镜四14的反射面密接有快轴方向均与Y轴方向成-45°的1/4波片七 22和1/4波片八23，全反射镜六16的反射面密接有快轴方向均与Y轴方向成 45°的1/4波片九24和1/4波片十25，右旋圆偏振光L4A从玻璃管一29的入射端入射，依次经过1/4波片十25、全反射镜六16、1/4波片九24、1/4波片八23、全反射镜四14、1/4波片七22后，从玻璃管一29的出射端出射。

玻璃管二30的入射端和出射端相对地设置有全反射镜五15和全反射镜七 17，全反射镜五15的反射面密接有快轴方向均与Y轴方向成45°的1/4波片五 20和1/4波片六21，所述全反射镜七17的反射面侧密接有快轴方向均与Y轴方向成-45°的1/4波片三18和1/4波片四19，左旋圆偏振光L4B从玻璃管二30的入射端入射，依次经过1/4波片三18、全反射镜七17、1/4波片四19、1/4波片五20、全反射镜五15、1/4波片六21后，从玻璃管二30的出射端出射。

所有波片、镜面和玻璃管出射端面与X轴之间都有一个小的夹角，其具体数值在保证所有的面与光线路径垂直的情况下进行计算，这里的示意图以三次反射为例。同时各波片与后方全反射镜之间密接，图中仅为示意，放大了这一距离。

第二部分是磁致旋光部件，如图3b所示，磁旋光玻璃一26缠绕线圈，磁旋光玻璃二27不缠绕线圈。线圈电流由可控电流源28控制，电流源28与计算机 13连接通信。通过线圈中电流的扫描，可以找到某一个值，使得偏振片9后的光强达到最大值，即此时磁置旋光的效果与自然旋光的效果正好抵消，根据具体电流读数，即可计算比旋光度和浓度信息(理论推导见附录)。

本实用新型的核心设计，就是使用两组1/4波片，在光线反射处人工干预相位变化，使得光反向渡越时，旋光角能够在正向渡越时积累的值上继续叠加。同时，根据菲涅尔对于旋光现象的解释，将线偏振光转化为圆偏振光，将旋光角的角度信息压缩到相位中去，使每一次反射，都是s波的全反射，这既避开了多次反射的引起的起偏问题，又有利于信号强度的保持。

简单来说，即是：(1)圆偏振光通过溶液；(2)圆偏振光的相位因为溶液的旋光性而变化；(3)反射前将圆偏振光转化为线偏振光保护起来，并引入人工相位引导；(4)线偏振光在镜面上发生p波全反射；(5)将线偏振光转化回圆偏振光，并再一次引入人工相位引导；(6)光线再一次渡越旋光溶液，同时由于两次相位引导，第二次渡越产生的相位变化将叠加在之前积累的值上，而不是抵消； (7)重复若干次1-6的过程后，左旋右旋光汇合，所有的旋光信息展现在光振动方向与Y轴的夹角上。

在具体实施方式中，使用波长在650nm左右的半导体激光器。旋光管长度为11cm，有效长度10cm(波片组18、19与波片组20、21间的距离)，管内直径 1.5厘米。各波片组与后方反射镜之间密接。使用维尔德常数为0.35min·Oe^-1·cm^-1 (58.3度·T·cm)的旋光玻璃，长度为5cm，缠绕密度为25圈/cm。

对于低浓度或低旋光度的物质，使用磁致旋光部件分析旋光角的变化以测量浓度或比旋光度。

以对于650nm光、在室温25℃下比旋光度为10°·g^-1·ml·dm的物质为例，在其浓度为0.01g/ml的情况下，其产生的旋光角度为0.1度，经过增强，扩大为0.3 度。通过理论证明(附录)可知，此时需要的(使磁致旋光部件正好抵消自然旋光的)电流大小为：654.8mA。若浓度升高0.001g/ml，对应的电流变化为65.48mA，处于可探测范围。

对于高浓度或高旋光度的物质，取下磁致旋光部件，直接通过穿过偏振片二 9的出射光强分析旋光角的变化以测量浓度或比旋光度。

以对于650nm光，在室温25℃下比旋光度为100°·g^-1·ml·dm的物质为例，在其浓度为0.2g/ml的情况下，其产生的旋光角度为20度，经过增强，扩大为 60度。通过理论证明(附录8)可知，光强计接受到的光强为最大值的25％。若浓度升高0.001g/ml，光强为最大值的24.5％，处于可探测范围。

可见对高浓度大旋光度的物质，还是低浓度小旋光度的物质，本装置都能进行较为精确的测量，且灵敏度较高。而且由于总偏转角度小于90度，因此使用磁置旋光部件时，能够找到一个强度最小的能将此偏转角拨回的电流，通过这一最小电流的流动方向，判断物质旋光方向，直接探测时，光强与旋转角更是一一对应。

同时，在使用之前，可以通过调整分束镜3和全反射镜4、5、6以及机械结构10，使得两束光线在偏振片二9处复原为Y方向线偏振光，即相位差为0或 2π整数倍，完成调零工作。

附录

1、菲涅尔对旋光效应的解释

根据菲涅尔对旋光效应的解释，可以将传统旋光观念中入射旋光溶液的竖直方向线偏振光分解为两束旋向相反但相位相同的圆偏振光。由于左旋与右旋圆偏振光通过旋光物质的速度不同，导致同相位入射的两束圆偏振光，在出射时有一定的相位差，当他们再次合成时，依然是线偏振光，但此时其偏振角度与竖直方向之间产生了一个角度差，即我们观察到的旋光角，如图4所示。

2、左右旋圆偏振光相位差与传统观念中的旋光角之间的转换关系

如图2所示，由半导体激光器1发射一束部分偏振光L1，通过偏振片一2，产生一束Y方向偏振的线偏振光L2：

EY＝A0 sin(ωt-kz)

这一束光经过分束器3被分离为两束能量近似相同的Y方向线偏振光L3A 和L3B，它们各自通过与Y轴方向成45°和-45°的两个1/4波片7、8，产生右旋圆偏振光L4A和左旋圆偏振光L4B。用公式表示如下(其中z为光束从原点出发走过的路程，如图5所示，x、y为波片快慢轴的方向，与大写的X、Y意义不同，后者是整个仪器系统的坐标)：

L4A：

Ex＝A1 sin(ωt-kz)

L4B：

Ey＝A1 sin(ωt-kz)

经过溶液池14-30后，两束光各自产生不同的附加位相ΔR和ΔL，对于不同的物质，ΔR和ΔL的大小关系不同。出射后的两束光L5A、L5B为：

L5A：

Ex＝A2 sin(ωt-kz+ΔR)

L5B：

Ey＝A2 sin(ωt-kz+ΔL)

根据菲涅尔的解释，此时L5A和L5B合成的结果应该是一个线偏振光，且其与y轴的夹角就是我们平时观察到的旋光角θ，因此我们先推导一下ΔR和Δ L与旋光角θ之间的关系：

考虑偏振片二9的前表面，此时z为一定值。在任意t时刻，两束光的瞬时振动矢量的方向为(如图6所示)：

根据三角函数诱导公式，可以将上述两式化为：

θL＝ωt-kz+ΔL

合成传统意义上的旋转角θ：

所以：

因此两束圆偏振光再次合成为线偏振光，但由于互相间产生相位差，因此合成后与Y轴方向成θ角，从宏观上看，与普通的旋光现象一致。

3、人工引导光束往返使旋光角叠加的原理以及光线反射时的起偏现象

由于在自然旋光物质中，光偏振矢量旋转的方向只和光传播的方向有关，如图6所示，因此在反向渡越时，旋转角被转回去，无法累加。但若我们在反射面上进行一些引导，如图7所示，使光偏振矢量左右翻转，就能够使反向渡越时产生的旋光角叠加在之前的旋光角上。如此循环往复，相当于延长了光在溶液中穿过的距离，增大了旋光角。具体实施时，我们将线偏振光替换为圆偏振光，因此整体物理表达会比这个复杂一些，但基本物理思想一致，就是在反射处增加人工干预，使得偏转角能够叠加。图7中左边是不引导时(反射后振动方向不变)，结果是旋光角互相抵消；右边是进行人工引导时(反射后振动方向左右翻转)，结果是旋光角累加。

要实现光振动矢量左右翻转，使用波片即可，反射则依靠全反射镜。但可惜的是不能直接让线偏振光在镜面上反射然后穿过波片完成左右翻转，直接实现图 6。原因如下：一，光线以一定角度入射时，其s波和p波方向对应的反射率不同，而在我们的仪器中，光线的s和p分量都是相当大的值，因此反射光与入射光相比，在光振动矢量上会受到不可恢复的扰动(典型的例子如布儒斯特角入射)，而光振动方向就是我们测量的量本身，因此这一效应会产生极大的影响，如图8 所示。二、光线不能够垂直入射，因为光线垂直入射意味着使用平行平面腔的结构，此时无法在出射端将N次往返和M次往返的光分离开来，导致测量无法进行。

4、公式的导出

举L4B-18-17-19-20-15-21-26-L5B为例，参见图9：

入射的左旋圆偏振光L4B为①：

Ey＝A2 sin(ωt-kz)

经过旋光溶液后，在波片18的前表面，变为②：

Ey＝A3 sin(ωt-kz+ΔL)

ΔL为本次渡越的长度为l0的旋光溶液对此左旋圆偏振光相位的作用。由于波片18使其y方向加快π/2相位，因此出射波片18时为③：

需要说明的是，穿过波片时，x、y方向的光都会受到相位的延迟，只不过y 方向的减少的较少，因此宏观上来看，是追上了π/2相位，即严格写出来的上式应该是：

其中k1为波片晶体中的波数，d为波片晶体的厚度。由于这么写会让式子变得冗长，而且之后我们会看到角度计算时这些k1d都会互相约去，因此保持简化的写法。

合成为：

即一束Y轴方向线偏振光。可见，旋光溶液对光的调制信息ΔL已经被压缩在了相位中。由于这束光对于全反射镜17来说只有s分量没有p分量，因此除了振幅上会造成轻微衰减，不会有其他显著的效应产生。反射后的光是：

需要说明的是，这里的z是指光线一直传播到此处时走过的标量距离，并不代表一个绝对的方向，因此不需要取负号。穿过波片19时，y方向继续加快π /2相位，完成相位反超，见④：

这一束反向传播的左旋圆偏振光再次经过溶液，变为⑤：

经过20、15、21的作用，变成：

完成最后一次渡越：

在偏振片二9的表面，其光矢量瞬时振动方向为：

即

考虑磁致旋光装置工作后，变为：

V为维尔德常数，n为单位长度线圈绕数，I为电流大小，L为旋光玻璃长度，μ为介质磁导率。另一束右旋光与其会汇合时，顺时光矢量振动方向：

即最终合成：·

由于从第2部分我们可以知道

ΔR-ΔL＝2θ＝2[a]cl0

因此：

当调整电流，使θ被补偿回0度时：

或者：

需要说明的是，l0应该是光单向渡越时穿过溶液的距离，但实际上三次渡越长度略有不同，他们的具体数值肯定不是这里定义的有效长度10cm。但由于有效长度为10cm，管直径1.5cm，实际的光程距离与六倍有效长度相比差值在1mm 左右，是取值10cm的百分之一，因此可以简化计算。

当我们把线偏振光分解为圆偏振光后再来解释直接反射导致旋转角转回的原理：对于左旋光，渡越一次，相位增加ΔL，但直接反射后，由于x、y方向分量的相位关系不变，x依然领先，因此原来的左旋圆偏振光变成了新传播方向上的右旋圆偏振光，再一次渡越相位增加ΔR，对于右旋光也是如此，右旋光相位先增加ΔR，反射后再增加ΔL，因此出射时，左旋右旋光之间没有相位差，即合成的线偏振光依然是Y方向的线偏振光，即偏转角恢复回来。而这里，由于1/4波片对光产生的影响与光的传播方向无关，因此一次反射使y方向的相位连续加速两次(与直觉上的“可逆”不同)，反超x方向，因此出射光变为新传播方向上的左旋圆偏振光，依然享受ΔL的相位增加，因此继续扩大了左右旋圆偏振光之间的相位差，而不是恢复它，最终的效果就是阻止了偏转角的恢复。

5、对于高浓度或高旋光度物质

设偏振片二9前表面接受到的光强为I0，穿过偏振片后探测器接受到的光强为I，根据马吕斯定律：

I＝I0(cosθ)²

即

因此通过测量偏振片二9前表面接受到的光强为I0，穿过偏振片后的光强为 I，可以计算出偏转角，则可以进一步获得比旋光度和浓度：

和

需要注意的是，实用新型中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。