一种利用面内空间自旋分裂位移测量微小旋光角度的方法和应用

1.本发明属于光学领域，涉及一种手性物质旋光度的测量方法，特别是指一种利用面内空间自旋分裂位移测量微小旋光角度的方法和应用。


背景技术：

2.随着手性物质在医药领域、农药方面、食品添加剂和电磁材料等领域的广泛应用，手性物质已成为当前药理学研究和生物化学领域内的研究热点，特别是手性物质的迅速发展，已经直接影响到人们的日常生活方式。旋光角度是手性物质的重要特征参数之一，旋光角度精确的测量技术在科研、工业、医疗等领域具有重要应用价值，如可用于溶液浓度测量、化学物质鉴定、物质结构研究、晶体双折射分析、光纤电流互感检测等。目前测量旋光的仪器很多，如上海申光sgw-1自动旋光仪，perkinelmer公司的341/343型自动精密旋光仪，它们能达到的最高精度为0.002
°
，对于精度要求不高的常规应用领域已经足够，但满足不了一些高精度测量领域的要求。此外，申请号为201110173321.8中国专利申请书中也公开了一种用于检测旋光角度的简易测量装置。该测量方法是根据测得的光强的信号的三分视场原理通过人眼识别旋光度大小，由于人眼对强光很不敏感，观察起来比较吃力，在判断从三分视场转变为均匀视场，比较困难，也存在一定的主观性，造成旋光度测量不准确，尤其当手性物质的旋光度微小时，势必会造成测量结果的不准确。而随着工业的不断进步，对手性物质旋光角度测量提出了更高的要求，不仅要求测量方法简单、便捷，而且要求实时检测、精度高。所以，研究和开发新型的高分辨率微小旋光角度测量方法在科研和应用方面均具有重要意义。
3.光子自旋霍尔效应是指一束线偏振光束在经过非均匀介质后，其左旋分量和右旋分量从平面界面反射/折射时，反射/折射光束的左旋和右旋分量会在在垂直于折射率梯度的方向上发生分裂的现象。该自旋分裂位移与入射光的偏振方向紧密相关。在某些条件下，光束偏振态的微小变化即可引起该自旋分裂位移的变化。手性物质旋光度测量本质性是测量线性偏振光束透过手性溶液后的偏振方向的旋转角度。在以往的研究中，我们发现通常在同等参数条件下，面内光子自旋分裂位移要远大于面外光子自旋分裂位移。这意味着相比于面外光子自旋分裂位移，基于面内光子自旋分裂位移的参数测量会具有更高的灵敏度或者更高的分辨力。为进一步提高测量手性物质旋光角度的准确度和灵敏度，本技术进行了以下研究。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于面内空间自旋分裂位移的可实现微小旋光角度高分辨力测量的新方法。此外，该测量方法在测量过程中系统各部件处于静止状态，因此具有良好的稳定性和测量精度。
5.本发明的技术方案是这样实现的：
6.一种利用面内空间自旋分裂位移测量微小旋光角度的方法，包括以下步骤：
7.(1)根据面内空间自旋分裂位移与旋光角度的理论关系模型，建立入射光束以任意初始偏振角透过被测物后，并以任意入射角在某反射界面发生反射时，旋光角度与其所引起的面内空间自旋分裂位移变化量的理论对应关系数据库；
8.(2)测量入射光束以某初始偏振角透过未装入被测物的样品池，并以某入射角在某界面发生反射时，反射光束所产生的面内空间自旋分裂位移；
9.(3)在保持步骤(2)中参数条件不变的情况下，将被测物装入样品池中，并测量此时反射光束所产生的面内空间自旋分裂位移；
10.(4)将步骤(3)和步骤(2)所获得的面内空间自旋分裂位移进行相减，得到旋光角度所引起的面内空间自旋分裂位移变化量；
11.(5)将步骤(4)所得的面内空间自旋分裂位移变化量，与步骤(1)所建立的理论对应关系数据库进行比对计算，即可得到被测物所引起的微小旋光角度的值。
12.上述步骤(1)中面内空间自旋分裂位移与旋光角度的理论关系模型为：
[0013][0014]
式
①
中，
[0015]
这里，α示旋光角度，即表示入射光束通过被测物后，其偏振方向所旋转变化的角度；γi表示入射光束通过被测物前的偏振角；σ＝+和σ＝-分别表示光束的左旋分量和右旋分量；θ表示入射光的入射角度；r
p
和rs分别表示光束的p光分量和s光分量的反射系数；分别表示光束的p光分量和s光分量的反射系数；a∈{p,s}，re表示取复数的实部，im表示取复数的虚部；w0表示入射光束的束腰；表示在入射光在传播介质中的波数，ε代表传播介质的相对介电常数，λ为入射光在传播介质中的波长。
[0016]
进一步，所述步骤(1)中的入射光束为任意波长、任意束腰的入射光束，某反射界面为任意界面。
[0017]
优选的，所述面内空间自旋分裂位移变化量为光束的左旋分量或者右旋分量的面内空间光子自旋分裂位移变化量。
[0018]
进一步，所述步骤(2)中的某初始偏振角为0-90
°
中的任一角度，某入射角为0-90
°
中的任一角度。
[0019]
进一步，所述步骤(5)中的比对计算是基于线性插值计算法，算出旋光角度值。
[0020]
进一步，所述步骤(5)中的比对计算是直接通过比对，选取与测量值相近或相等的理论值所对应的旋光角度值作为测量结果。
[0021]
优选的，所述被测物为溶液、固体或者气体物质。
[0022]
上述的方法在测量手性物质微小旋光角度中的应用。
[0023]
本发明具有以下有益效果：
[0024]
本发明利用面内空间自旋分裂位移对旋光角度的优异敏感特性，可实现微小旋光角度的高分辨力测量。该测量方法在测量过程中系统各部件处于静止状态，因此具有良好的稳定性和测量精度，适合大规模的推广与应用。
附图说明
[0025]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]
图1为本发明中用于测量面内空间自旋分裂位移的装置示意图，其中1-激光光源、2-聚焦透镜ⅰ、3-偏振片ⅰ、4-样品池、5-反射界面、6-偏振片ⅱ、7-聚焦透镜ⅱ、8-感光成像装置、9-计算机。
[0027]
图2为本发明中光束在透过被测物前后的偏振方向示意图。
[0028]
图3为本发明中光束在界面反射时发生面内空间自旋分裂的示意图。
[0029]
图4为本发明中光束在不同入射角下，反射光的左旋分量的面内空间自旋分裂位移与旋光角度的理论关系曲线图。
具体实施方式
[0030]
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031]
因光子自旋分裂位移通常为纳米量级，所以对光子自旋分裂位移的观测通常需要先将其放大，然后再除以放大倍数，进而才能得到相应的光子自旋分裂位移值。本发明的实施例中的测量装置示意图如图1所示。该装置是基于弱测量放大技术实现光子自旋分裂位移的常规通用装置。由激光光源1发出的线性偏振光束垂直通过聚焦透镜ⅰ2，之后垂直穿过偏振片ⅰ3，此时光束的偏振角度为γi，之后再穿过装有被测样品溶液的样品池4后，光束的偏振方向会旋转α角度，如图2所示，即光束的偏振角会变为γi+α，之后光束以某角度θ入射到反射界面5上，并在此处发生面内空间自旋分裂，如图3所示；经反射界面5反射的光束依次垂直透过偏振片ⅱ6、聚焦透镜ⅱ7，并最终垂直入射到感光成像装置8的感光面上，感光成像装置8将所拍摄的光强图像发送至计算机9，再由计算机9对所获得的光强图像进行一系列处理与计算，得出此光强图像的质心坐标，该质心坐标减去原点坐标，即可得到经弱测量装置放大后的弱测量放大位移aw
·
δx。将弱测量放大位移除以该测量系统的放大倍数aw，即可得到此时的面内空间自旋分裂位移的值δx。通过改变聚焦透镜ⅰ2的焦距，可以改变光束的束腰w0的尺寸；调节偏振片ⅰ3可以改变光束的初始偏振态γi，通过调整偏振片ⅱ6，可以调节的弱测量放大角δ。聚焦透镜ⅰ2和聚焦透镜ⅱ7为共焦腔，通过调节两者的焦距比，可以调节该测量系统的传播放大倍数f。该测量系统的整体放大倍数aw≈f/δ。在本实施例中，通过设置合适的弱测量放大角δ和传播放大倍数f，进而形成合适的放大倍数aw，使该测量系统对面内空间自旋分裂位移的测量分辨力可以达到1纳米。
[0032]
面内空间自旋分裂位移与线性偏振光束通过手性物质溶液后的旋光角度α的理论关系模型为：
[0033][0034]
其中，
[0035]
这里，αi表示旋光角度，即表示入射光束通过被测物后，其偏振方向所旋转变化的角度；γi表示入射光束通过被测物前的偏振角；σ＝+和σ＝-分别表示光束的左旋分量和右旋分量；θ表示入射光的入射角度；r
p
和rs分别表示光束的p光分量和s光分量的反射系数；a∈{p,s}，re表示取复数的实部，im表示取复数的虚部；w0表示入射光束的束腰；表示在入射光在传播介质中的波数，ε代表传播介质的相对介电常数，λ为入射光在传播介质中的波长。
[0036]
反射系数r
p
和rs可根据菲涅尔方程得到：
[0037]rp
＝(ε2k
1z-ε1k
2z
)/(ε2k
1z
+ε1k
2z
)
[0038]rs
＝(k
1z-k
2z
)/(k
1z
+k
2z
)
[0039]
其中，这里，i分别代表1、2，其中1代表介质1，2介质2，ε1和ε2分别代表介质1和介质2的相对介电常数，λ为入射光波长，θ为入射角度。
[0040]
根据等式
①
，我们可以得到各入射角θ下，各初始入射偏振态γi下，面内空间自旋分裂位移与旋光角度α的一一对应关系。图4是初始偏振态γi＝0
°
，入射角分别为θ＝54.5
°
、θ＝55
°
、θ＝55.5
°
、θ＝56
°
和θ＝56.5
°
时(即入射角在布鲁斯特角附近)，反射光束左旋分量的面内空间自旋分裂位移与旋光角度α的关系曲线图。从图4中可以明显看出，不管是入射角θ＝54.5
°
、还是入射角θ＝55
°
、θ＝55.5
°
、θ＝56
°
和θ＝56.5
°
，面内空间自旋分裂位移与旋光角度α都是严格的一一对应关系，且具有良好的线性度。因此，如果此时测量出面内空间自旋分裂位移则根据等式
①
，即可确定出其唯一对应的微小旋光角度值α。
[0041]
下面结合附图，详细介绍本发明的具体实施过程。
[0042]
实施例
[0043]
(1)根据面内空间自旋分裂位移与旋光角度之间的理论关系模型，即根据等式
①
，建立光束波长为632.8nm、束腰w0为15μm、偏振片ⅰ3的初始偏振角γi＝0
°
、入射角度θ＝56.5
°
、反射界面为空气/玻璃界面时，旋光角度与反射光束左旋分量的面内空间自旋分裂位移变化量的理论对应关系数据库，如表1所示：
[0044]
表1旋光角度与左旋分量的面内空间自旋分裂位移变化量的理论对应关系数据表
[0045][0046]
(2)选用氦氖激光器作为光源，此光源射出的光束的波长为632.8nm。选择合适焦距的聚焦透镜ⅰ2，使垂直透过聚焦透镜ⅰ2的光束的束腰w0为15μm。旋转偏振片ⅰ3，使光束垂直透过旋转偏振片ⅰ3的初始偏振角γi＝0
°
。之后让光束垂直透过未装入被测溶液的透明样品池4，此时光束的偏振态仍为0
°
。然后令该光束以56.5
°
的角度入射到空气/玻璃反射界面上，并发生反射。反射光束的左旋和右旋分量会在反射界面处发生分裂位移。反射光束依次垂直透过偏振片ⅱ6和聚焦透镜ⅱ7，并垂直照射在感光成像装置8的感光面上。感光成像装置8将拍摄的光强图像传送至计算机9，再由计算机9对所获得的光强图像进行一系列处理与计算，得出此光强图像的x方向的质心坐标x0。因为当初始偏振角γi＝0
°
，面内空间自旋分裂位移为0，所以令质心坐标x0为坐标原点。
[0047]
(3)将被测物质配置成标准浓度的溶液，并将溶液倒入透明样品池4，此时透过样品池4的光束的偏振角将变为γi+α。因γi＝0
°
，则透过样品池4的光束的偏振态将变为α。将此时感光成像装置8将拍摄的光强图像传送至计算机9，再由计算机9对所获得的光强图像进行一系列处理与计算，得出此光强图像的质心坐标x1。令此光强图像的质心坐标x1减去原点坐标x0，再除以测量系统的放大倍数aw，即可得到此时的面内空间自旋分裂位移假设此时测得
[0048]
(4)将步骤(3)和步骤(2)所得的面内空间自旋分裂位移相减，得到因入射光束的偏振方向经透过被测物质后发生α角度的旋转，所引起的面内空间自旋分裂位移的变化量
[0049]
(5)根据所建立的数据库，经过查询数据库和相应的差值计算，即可确定当面内空间自旋分裂位移时，旋光角度α的值。根据表1，可知当时，其对应的旋光角度α处于0.03和0.04之间，那么，通过线性插值，则可以得到当时，旋光角度α的值：
[0050][0051]
由表1可以看出，若测量系统关于面内自旋分裂位移的测量分辨力为1nm，那么旋光角度的测量分辨力δα约为：δα≈0.5/6552＝8
×
10-5
度。即分辨力可以达到10-5
量级，相比目前的测量仪器，该方法的测量分辨力提高了约1～2个数量级。
[0052]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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。