Оптическая активность вещества

Рисунок 2.3 - Линейный поляризатор из стекла и исландского шпата (оптическая ось шпата перпендикулярна плоскости рисунка)

Применяют поляризационные призмы, в которых кристаллическая пластинка вклеена между двумя призмами из стекла, показатель преломления которого близок к большему показателю преломления кристалла (рисунок 2.3). В таких поляризационных призмах проходит обыкновенный луч, а отражается необыкновенный. Для того чтобы один из лучей претерпевал на границе раздела (склейки) полное внутреннее отражение, выбираются определённые значения преломляющих углов трёхгранных призм и, как правило, определённые ориентации оптических осей кристаллов, из которых они вырезаны. Такое отражение происходит, если углы падения лучей на поляризационную призму не превышают некоторых предельных значений, как в призмах Глана-Томсона (рисунок 2.4), Глана (рисунок 2.5), Глазебрука (рисунок 2.6), Франка-Риттера Франка-Риттера (рисунок 2.7) и др.

	Рисунок 2.4 - Поляризационная призма Глана-Томсона. Клей - канадский бальзам (апертура полной поляризации e=I1+I2=27,5°) или льняное масло (e= 41°), a=76.5°. Предельные углы I1 и I2, сумма I1+I2 называется апертурой полной поляризации поляризационной призмы; её величина существенна при работе с поляризационными призмами в сходящихся пучках излучения
	Рисунок 2.5 - Поляризационная призма Глана. АВ - воздушный промежуток; оптические оси обеих трёхгранных призм перпендикулярны плоскости рисунка
Рисунок 2.6 - Поляризационная призма Глазебрука. Оптические оси кристаллов обеих прямоугольных призм перпендикулярны плоскости рисунка; при склейке в плоскости АВ канадским бальзамом угол a=12.1°, льняным маслом -14°, глицерином - 17.3°
Рисунок 2.7 - Поляризационная призма Франка-Риттера: а - вид сбоку, б – вид по ходу луча. клей -канадский бальзам; оптические оси кристаллических прямоугольных призм направлены под углом 45° к плоскости рисунка а и под углом 90° к плоскости колебаний вектора Е необыкновенного луча (его плоскости поляризации)

 

Среди двулучевых поляризационных призм распространены также призмы Рошона, Сенармона, Волластона и некоторые др. (рисунок 2.8). Один из двух пропускаемых лучей в поляризационных призмах Рошона и Сенармона не меняет своего направления, другой (необыкновенный) отклоняется на угол q~5¸6°, сильно зависящий от длины волны света: q=(nо-ne)tga, где a - преломляющий угол трёхгранных призм. Поляризационная призма Волластона даёт удвоенный угол расхождения лучей 2q» 10°, причём при перпендикулярном падении отклонения лучей симметричны; эта поляризационная призма применяется в поляризационных фотометрах, спектрофотометрах и поляриметрах. Угол а в поляризационной призме из исландского шпата близок к 30°, из кристаллического кварца - к 60°.

Рисунок 2.8 - Двухлучевые поляризационные призмы: а - Рошона; б - Сенармона; в - Волластона; г -призма из исландского шпата и стекла; д - Аббе. Штриховка указывает направление оптических осей кристаллов в плоскости рисунка; точки означают, что оптическая ось перпендикулярна плоскости рисунка; стрелки и точки на лучах указывают направления колебаний вектора Е

Таким образом, для поляризационных призм, как правило, характерны незначительная апертура полной поляризации, однако они практически лишены хроматической аберрации. В поляризационных призмах со скошенными гранями проходящий луч испытывает параллельное смещение, поэтому при вращении призмы вокруг луча последний также вращается. От этого и некоторых иных недостатков свободны призмы в форме прямоугольных параллелепипедов. В то же время, не смотря на высокую стоимость и относительно большие размеры, поляризационные призмы незаменимы при работе в УФ области спектра и в мощных потоках оптического излучения и позволяют получать однородно поляризованные пучки, степень поляризации которых лишь примерно на 10-5 отличается от 1.

2.3 Приборы для поляризационно-оптических исследований

В настоящее время существует множество приборов для поляризационно-оптических исследований, которые отличают чрезвычайное разнообразие как сфер применения, так и конструктивного оформления и принципов действия. Их используют для фотометрических и пирометрических измерений, кристаллооптических исследований, изучения механических напряжений в конструкциях, в микроскопии, в поляриметрии и сахариметрии, в скоростной фото- и киносъёмке, геодезических устройствах, в системах оптической локации и оптической связи, в схемах управления лазеров, для физических исследований электронной структуры атомов, молекул и твёрдых тел и др.

Элементом большинства поляризационных приборов является схема, состоящая из последовательно расположенных на одной оси линейного поляризатора и анализатора. Если их плоскости поляризации взаимно перпендикулярны, схема не пропускает света (установка на гашение). Изменение угла между этими плоскостями приводит к изменению интенсивности проходящего через систему света по закону Малюса (пропорционально квадрату косинуса угла). Особое удобство этой схемы для сравнения и измерения интенсивностей световых потоков обусловило её преимущественное применение в фотометрических поляризационных приборов - фотометрах и спектрофотометрах (как с визуальной, так и с фотоэлектрической регистрацией). Поляризационные приборы представляют собой основные элементы оборудования для кристаллооптических и иных исследований сред, обладающих оптической анизотропией - естественной или наведённой. При таких исследованиях широко применяются поляризационные микроскопы, позволяющие на основе визуальных наблюдений делать выводы о характере и величине оптической анизотропии вещества. Для прецизионного анализа оптической анизотропии и зависимости от длины волны излучения применяются автоматические приборы с фотоэлектрической регистрацией. Практически всегда при количественном анализе анизотропии требуется сопоставить оптические свойства среды для двух ортогональных поляризаций - линейных, если измеряется линейный дихроизм или линейное двулучепреломление, и круговых при измерении дихроизма или вращения плоскости поляризации. Это сопоставление в электронной схеме прибора производится на достаточно высокой частоте, удобной для усиления сигнала и подавления шумов. Поэтому поляризационные приборы такого назначения часто включают поляризационный модулятор.

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 поляриметров - СМ-3, который предназначен для определения угла поворота плоскости поляризации в жидких оптически активных веществах (рисунок 2.9).

Рисунок 2.9 - Оптическая схема поляриметра СМ-3

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.

Рисунок 2.10 - Оптическая схема полярископа-поляриметра ПКС-56

Определив Db, можно определить no-ne из соотношения

где l — толщина образца. При l=10 мм погрешность измерения no-ne составляет ±3×10-7. С увеличением l погрешность уменьшается.

Несколько более сложную схему имеет малогабаритный поляриметр ИГ-86 (рисунок 2.11), 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.

Рисунок 2.11 - Оптическая схема малогабаритного поляриметра ИГ-86

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.

Схема типичного фотоэлектрического модуляционного поляриметра, позволяющего измерять меняющуюся во времени разность фаз о- и е-лучей, показана на рисунке 2.12.

Рисунок 2.12 - Оптическая схема фотоэлектрического модуляционного поляриметра

Лучистый поток источника света 1 сверхвысокого давления проходит через интерференционный светофильтр 2, поляризатор 3 и исследуемый объект 4, ориентированный так, что направления колебаний в о- и е-лучах составляют углы 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 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 11 до тех пор, пока первая гармоника присутствует в сигнале. Остановка соответствует положению анализатора, при котором на фотодетектор падает минимальный поток излучения. Регистрирующее устройство 7 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 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.