Поляриметрия

Поляризационные приборы  служат для обнаружения и количественного  определения степени поляризации  частично поляризованного света. Простейшими  из них являются полярископы —  двулучепреломляющие пластинки, в  которых используется интерференция  света в сходящихся поляризованных лучах (хроматическая поляризация). Типичный полярископ - полярископ Савара, который состоит из двух склеенных пластинок кристаллического кварца одинаковой толщины d, вырезанных так, что их оптические оси составляют с осью полярископа углы в 45° (пластинка Савара), и жестко связанного с ней анализатора, плоскость поляризации которого направлена под углом 45° к главным сечениям этой пластинки.

Чрезвычайно существенную роль в химических и биофизических  исследованиях играет обширный класс  приборов, служащий для измерения  вращения плоскости поляризации  в средах с естественной или наведённой магнитным полем оптической активностью (поляриметры) и дисперсии этого  вращения (спектрополяриметры). Относительно простыми, но практически очень важными  являются сахариметры - приборы для  измерения содержания сахаров и  некоторых других оптически активных веществ в растворах.

Самые точные из полярископов позволяют обнаружить примесь поляризованного  света к естественному, составляющую доли процента.

В качестве примера рассмотрим один из простейших круговых поляриметров - поляриметр СМ-3, который предназначен для определения угла поворота плоскости  поляризации в жидких оптически  активных веществах .

Осветитель 1 (лампа накаливания  или натриевая лампа ДНаО140) устанавливается  в фокальной плоскости оптической системы 8. В конструкции узла осветителя предусмотрены подвижки для установки  нити накала лампы на оптической оси. При работе с лампой накаливания  перед оптической системой 3 вводится желтый светофильтр 2. Параллельный монохроматический  пучок лучей, выходящий из системы 3, проходит через поляризатор 4 (поляроид, заклеенный между двумя стеклами), кварцевую пластинку 5, создающую  совместно с поляроидом полутеневую  картину с тройным полем зрения, и кварцевую кювету 6 с исследуемым  раствором. Обычно длина кюветы выбирается такой, чтобы концентрации 10-3  кг/см3 соответствовал угол поворота плоскости  поляризации j=1°. После кюветы расположен анализатор 7, аналогичный поляризатору 4, и телескопическая система, состоящая  из объектива 10 и окуляра 11, через  который ведется наблюдение при  уравнивании освещенностей частей поля зрения. Отсчет осуществляется по градусной шкале 8 неподвижного лимба (с оцифровкой от 0° до 360°) с помощью  двух диаметрально противоположных  нониусов 9 (шкалы нониусов имеют  по 20 делений; цена одного деления 0,05°). Из показаний двух нониусов берут  среднее значение (для учета эксцентриситета  лимба). Отсчет снимается при наблюдении лимба и нониуса через лупы 12.

Достаточно просто устроен  полярископ-поляриметр ПКС-56 (рисунок 2.10). Он состоит из источника света 1 (лампа накаливания), матового стекла 2, поляризатора 3 (поляроид, вклеенный  между стеклами), четвертьволновой пластинки 5, анализатора 6 и светофильтра 7 (максимум пропускания при 0.54 мкм). Порядок измерения на приборе  следующий: скрещивают поляризатор  и анализатор (отсчет по лимбу анализатора 0°, поле зрения темное); устанавливают  образец 4 (если он обладает двойным  лучепреломлением, то в поле зрения наблюдается просветление); поворачивают анализатор до максимального потемнения в середине образца; по лимбу отсчитывают  угол поворота Db анализатора.

Несколько более сложную  схему имеет малогабаритный поляриметр ИГ-86 (, предназначенный для визуального исследования напряженного состояния изделий с помощью оптически чувствительных покрытий. Он позволяет наблюдать интерференционную картину в условиях плоской и круговой поляризации и измерять оптическую разность хода как методом сопоставления цветов, так и компенсационным методом.

Источник света 1 (лампа  СЦ-61) размещен в фокусе объектива 3. Защитные стекла 2, 7 и 12 предохраняют прибор от попадания в него загрязнений. Параллельный пучок лучей проходит поляризационный светофильтр (поляризатор 4), полупрозрачное зеркало 8 и, отразившись  от светоделительного слоя, падает на оптически чувствительное покрытие 6, нанесенное на исследуемый объект 5. После отражения от покрытия свет попадает в анализаторный узел прибора, проходит компенсатор 9, анализатор 10 и  попадает в зрительную трубу (сменное  увеличение 2 и 10´) со шкалой в совмещенной  фокальной плоскости объектива 11 и окуляра 13. Перед глазной линзой окуляра и выходным зрачком 15 устанавливается  светофильтр 14. Такая оптическая схема  получила наименование Т-образной схемы. Предел измерения оптической разности хода - от 0 до 5 интерференционных порядков. Погрешность измерения - 0.05 интерференционных  порядков.

Лучистый поток источника  света 1 сверхвысокого давления проходит через иитерференционный светофильтр 2, поляризатор 3 и исследуемый объект 4, ориентированный так, что направления  колебаний в о- и е-лучах составляют углы p/4 с направлением колебаний  в луче, вышедшем из поляризатора. Выходящий  из объекта 4 эллиптически поляризованный свет попадает на пластину 5, изготовленную  из одноосного кристалла (например, кристалла ADP - дигидрофосфата аммония NH4H2PO4, вырезанную так, что ее плоскости перпендикулярны оптической оси) позволяющего реализовать эффект Поккельса и обеспечить модуляцию проходящего светового потока. При приложении к пластине 5 переменного электрического напряжения в направлении, параллельном оси лучистого потока и оптической оси кристалла, последний становится двухосным. Новые оптические оси образуют симметричные углы p/4 с прежним направлением оси, а проходящий через нее свет претерпевает двойное лучепреломление. Возникающая при этом разность фаз пропорциональна напряжению электрического поля и не зависит от толщины пластины 5. В связи с возникающей переменной разностью фаз эллиптически поляризованный свет периодически меняет форму эллипса поляризации. В результате на выходе компенсатора 6 плоскость линейно поляризованного света колеблется относительно среднего положения. После анализатора 11 модулированный поток света попадает на фотодетектор 10, сигнал с которого с основной частотой,  соответствующей первой гармонике, поступает в усилитель 8 и приводит в действие сервомотор 9, поворачивающий анализатор 1l до тех пор, пока первая гармоника присутствует в сигнале. Остановка соответствует положению анализатора, при котором на фотодетектор падает минимальный поток излучения. Регистрирующее устройство 7 (например, самописец) фиксирует углы поворота анализатора, причем измеряемая разность фаз равна удвоенному углу поворота анализатора.

Заключение

Поляриметрия широко применяется  для исследования оптически активных веществ. Методами поляриметрии анализируются  атмосфера и океаны, различные  объекты окружающей среды, промышленные изделия и продукты переработки  предприятий. Эффективно эти методы используется в электронной промышленности, в медицине, биологии, криминалистике и т.д. Большое значение они имеют  в аналитическом контроле окружающей среды и решении экологических  проблем.  Методы поляриметрии методы рассматриваются в ряде предметов  специальности “Физика”, например, в курсах “Оптические измерения” и “Строение и методы исследования вещества”.

В то же время имеется  ряд особенностей исследования  оптической активности химических соединений, что связано с неаддитивностью  явления, не позволяющей вести расчёты  на основе простой схемы, как, например, в случае молекулярной рефракции. Перспективными здесь являются методы поляриметрии, основанные на измерении поляризационных свойств прошедшего через тестируемое вещество квазимонохроматического излучения различных спектральных диапазонов.

В данной дипломной работе рассмотрены основные характеристики поляризованного излучения, методы поляриметрии и типовое оборудование. Разработаны методические указания к выполнению лабораторной работы “Поляриметрическое определение концентрации вещества в растворе. Проверка закона Био  при разных длинах волн”.

С целью расширения функциональных возможностей промышленного поляриметра  СМ-3 проведена его модификация, заключавшаяся  в замене исходной системы освещения  блоком, позволяющим проводить изменения  как в белом свете, так и  в синем, зеленом, желтом и красном  диапазонах спектра.

 Вопросы для контроля

1. Что такое поляризация  света, ее виды и характеристики. Какие источники света испускают  поляризованное излучение и почему  излучение нагретых тел не  является поляризованным?

2.  Какие способы получения  поляризованного света известны? Как можно отличить естественный  свет с круговой поляризацией?

3. Объясните принцип поляририметрии. В чем заключается смысл законов  Малюса и Био?

4. Каков механизм поворота  поляризации в оптически активных  средах? Объясните зависимость угла  поворота плоскости поляризации  от длины волны.

5. Дайте определение лучевой  и нормальной скоростей для  анизотропного кристалла.