李子駿+賈宏志

摘要：

提出了一種新的測(cè)量旋光色散的方法。該方法利用白光LED作為光源，經(jīng)起偏棱鏡、樣品管和檢偏棱鏡后，復(fù)色偏振光經(jīng)平面衍射光柵分光后，由線陣CCD進(jìn)行采集，CCD的每個(gè)像元對(duì)應(yīng)接收復(fù)色偏振光經(jīng)分光后的某一波長的光信號(hào)，在檢偏器旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)，獲得相應(yīng)的光強(qiáng)數(shù)據(jù)，使用擬合算法，對(duì)每一個(gè)像元所采集的光強(qiáng)數(shù)據(jù)逐一進(jìn)行處理，最終得出CCD像元所對(duì)應(yīng)波長的旋光度，最后得到旋光色散數(shù)據(jù)。并利用標(biāo)準(zhǔn)石英管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，證明了這種測(cè)量方法的可行性。

關(guān)鍵詞：

旋光色散； 線陣CCD； 擬合算法

中圖分類號(hào)： TH 741文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.04.002

This paper proposed a new method of measuring optical rotatory dispersion.The white LED is utilized as radiation source and after transmitting through polarizer，sample tube and analyzer，the composite polarized light is dispersed with transmission grating to obtain the optical rotatory dispersion，and the light intensity data are captured by a line-array CCD.Every single pixel of CCD captures one certain wavelength light from the transmission grating and obtains all data during the rotation of analyzer.Polynomial fitting algorithm is used to process the data captured by every single pixel of CCD.The optically active rotation angles versus CCD pixels numbers are finally obtained.By using the experimental device and standard quartz tube，we finally get the optical rotatory dispersion data of standard quartz tube.The experimental research proved the feasibility of this measuring method.

Keywords： optical rotatory dispersion； linear-array CCD； polynomial fitting algorithm

引言

旋光現(xiàn)象最早是由科學(xué)家Arago發(fā)現(xiàn)的，隨后Biot發(fā)現(xiàn)石英能使偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)的角度為旋光角[1]。旋光色散是光學(xué)活性物質(zhì)的旋光角隨波長變化的一種色散效應(yīng)[2]。最早研究物質(zhì)光學(xué)活性的儀器是旋光儀，主要用于測(cè)定光學(xué)活性物質(zhì)的純度[3]，但是這類單一波長旋光值的儀器能提供的信息量太少，無法研究分子的立體結(jié)構(gòu)，因此Rudolph利用單色器與旋光儀連用的方法，研制了世界上第一臺(tái)光電分光旋光儀[4]，之后的旋光色散測(cè)量系統(tǒng)往往是基于Rudolph的方法。Kliger等以氙燈為光源，陣列探測(cè)器為探測(cè)元件的系統(tǒng)，并利用Keston算法，能測(cè)量納秒級(jí)的旋光色散變化[5]；Dressler等成功地將近場(chǎng)光學(xué)掃描顯微鏡用于手性物質(zhì)偏振態(tài)的測(cè)量，并申請(qǐng)了相關(guān)專利[6]；韓志剛等利用三步移相算法計(jì)算糖溶液的透射光譜來測(cè)量相應(yīng)旋光色散，該算法有效地減小了實(shí)驗(yàn)中的系統(tǒng)誤差[7]。但是，他們的方法有著相同的不足之處——測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理繁瑣。本文提出了一種光路簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)處理快速精確的旋光色散測(cè)量方法。

1測(cè)量原理

測(cè)量系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)由光路部分和光電轉(zhuǎn)換部分組成：光路部分主要包括白光LED、準(zhǔn)直透鏡、起偏棱鏡、旋光管、檢偏棱鏡、光柵；光電轉(zhuǎn)換部分為線陣CCD傳感器。

當(dāng)接通電源后，白光LED發(fā)出一束含可見光波段的復(fù)合光，該光通過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后，經(jīng)過起偏棱鏡變?yōu)榫€偏振光，然后經(jīng)過旋光管中的旋光物質(zhì)后，其偏振面旋轉(zhuǎn)，并且由于不同波長的光比旋度不同，因此各波長的線偏振光通過旋光管后，其偏振面的旋轉(zhuǎn)角度也不同。最后，這束光經(jīng)過檢偏棱鏡和光柵后，由光柵使復(fù)合偏振光發(fā)生色散，將白光分解形成光譜，不同波長的線偏振光照射在線陣CCD傳感器不同位置的像元上，線陣CCD傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，由不同的像元記錄不同波長的電信號(hào)。

在接通光源的同時(shí)，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)檢偏器轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步，由于光信號(hào)的偏振角度與檢偏器的角度發(fā)生變化，導(dǎo)致經(jīng)過檢偏器的光信號(hào)的幅值大小發(fā)生變化，并被CCD所采集。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步，CCD就實(shí)時(shí)采集一次，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行保存。對(duì)于CCD所采集的數(shù)據(jù)，做如下記錄：

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)第一步時(shí)，記錄CCD上像元1的輸出幅值記為V11，像元2上的輸出幅值記為V21，像元3上的輸出幅值記為V31…以此類推，像元n上的輸出幅值記為Vn1；當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)第二步時(shí)，記錄像元1的輸出幅值為V12，像元2上的輸出幅值記為V22，像元3上的輸出幅值記為V32…像元n上的輸出幅值為Vn2；步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步記錄方法也以此類推，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)第m步時(shí)（假定步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)m步時(shí)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)完一圈），記錄像元1的輸出幅值為V1m，像元2上的輸出幅值記為V2m，像元3上的輸出幅值記為V3m…像元n上的輸出幅值為Vnm。此時(shí)數(shù)據(jù)記錄如表1所示。