DE6604638U - Polarimeter - Google Patents

Description

Gebrauchsmusteranmeldung

Bodenseewerk Perkin-Elmer & Co., GmbH., Überlingen/Bodensee

Polarimeter

Die Neuerung "betrifft ein Polarimeter mit einer Quelle polarisierten Lichts vor einer Probe und einem Analysator hinter der Probe, Mitteln zur Erzeugung einer periodischen Drehung der Polarisationsebene des polarisierten Lichts um eine Mittellage, einem Detektor, der von dem durch den Analysator tretenden Lieht beaufschlagt ist, Filtermitteln,

f welche von dem Detektorsigna.l nur die Komponente mit der

j einfachen Frequenz der periodischen Drehung der Polarisa-

^! tionsebene zur Wirkung kommen lassen, Mitteln zur Veränderung der besagten Mittellage der Polarisationsebene und einer Lambdaviertelplatte im Strahlengang vor der Probe«

Zwei Größen sind für das Polarisationsverhalten einer Probe charakteristisch: Die optische Drehung und der Zirkulardich-, roismus. Die optische Drehung wird dadurch hervorgerufen,

j daß rechts- und linkszirkularpolarisiertes Licht unterschiedliche Brachungsindizes vorfindet. Dadurch wird die Polarisationsebene einfallenden linearpolarisierten Lichts, das man bekanntlich aus einer rechts- und einer linkszirkularpolarisierten Komponente zusammengesetzt denken kaün, gsdreht. Bei Auftreten von Zirkulardichroismus sind die Extinktionskonstanten für rechts- und linkszirkularpolarisiertes Licht verschieden. Aus linearpolarisiertem Licht wird dann elleptisch polarisiertes Licht.

660

Es interessiert insbesondere die Wellenlängenabhängigkeit dieser Größen. Es sind daher Spektropolarimeter vorgesehen worden, bei denen die Strahlung durch einen Monochromator geleitet wird, so daß jeweils ein ganzer Spektralbereich abgetastet wird·

Zur Messung der optischen Drehung bzw. optischen Eotationsdispersion bei Spektropolarimetern ist eine Anordnung bekannt, bei welcher die Strahlung einer Lichtquelle bzw, eines Monochromator einen Polarisator durchsetzt, das austretende linearpolarisierte Licht durch die Probe auf einen Analysator trifft, hinter welchem ein Strahlungsdetektor angeordnet ist, und der Polarisator durch einen Abgleichmotor nach Maßgabe des Detektorsignals verdreht wird₀ Zur Erzeugung eines hierfür geeigneten Detektorsignals führt der Polarisator Drehschwingungen um seine Mittellage aus, so daß eine periodische Drehung der Polarisationsebene des Lichtes erfolgt. Wenn die Mittellage der Polarisationsebene des auf den Analysator treffenden Lichtes senkrecht zu der Durchlaßrichtung des Analysators ist, dann tritt am Detektor nur ein Signal mit der doppelten Schwingfrequenz des Polarisators auf. Ist dagegen die Mittellage der Polarisationsebene des auf den Analysator fallenden Lichts nicht senkrecht zu der Durchlaßrichtung des Analysators, dann tritt im Detektorsignal auch eii?e Komponente auf, die der einfachen Schwingfrequeirz des Polarisator entspricht. Dieses Signal kann somit als Maß für die Verdrehung der mittleren Polarisationsrichtung, also für die durch die Probe bewirkte optische Drehung dienen und über geeignete Filtermittel zur Wirkung gebracht werden. Dabei kann es sich um ein elektrisches Siebglied handeln, das die höheren Harmonischen, insbesondere die doppelte ffrundfrequenz unterdrückt. Es kann sich um einen Ferrarismotor zur Verstellung des Polarisators handeln, dessen eine Wicklung mit dem Detektorsignal und dessen andere Wicklung mit

einer Wechselspannung von der einfachen Polarisator-Schwingfrequenz beschickt wird. Die Schwingung der Polarisationsebene kann durch mechanische Schwingungen des Polarisators erzeugt werden. Man kann jedoch auch einen Faraday-Modulator vorsehen. In ähnlicher Weise kann die Drehung der Polarisationsebene zum Zwecke des Abgleiches durch Verdrehung des Polarisators oder durch hinter diesem im Strahlengang angeordnetes öiied unter Ausnutzung des Faradäy-Effekves erfolgen. Die zum Abgleich erforderliche Nachdrehung der Polarisationsebene des auf die Probe fallenden lichtes ist ein Maß für die optische Drehung in der Probe.

Zur Messung des Zirkulardichroismus ist es bekannt, unmittelbar den Unterschied in der Absorption von rechts- und linkszirkularpolarisiertem Licht zu messen. Zu diesem Zweck ist ein Polarisationsprisma vorgesehen, durch welches ein linearpolarisiertes Strahlenbündel erzeugt wird. Dieses "Bündel fällt auf einen elektrooptischen Kristall, der einem Wechselstromfeld ausgesetzt ist, so daß er doppelbrechend wird und aus dem auftreffenden linearpolarisiertem Licht abwechselnd rechts- und linkszirkularpolarisiertes Licht macht. Dieses abwechselnd

rechts- und linkszirkularpolarisierte Licht durchsetzt die Probe und fällt dann auf einen photoelektrischen Empfänger. Wenn die Probe beispielsweise linkszirkularpolarisiertes Lieht stärker absorbiert als rechtszirkularpolarisiertes, dann wird « während der Halbwelle, während welcher das Licht linkszirkularpolarisiert ist, ein geringerer Lichtstrom auf den Empfänger fallen als während der anderen Halbwelle, bei der das Licht rechtszirkularpolarisiert ist. Am Empfänger entsteht ein Wechsel stromsignal. Das Verhältnis des am Empfänger auftretenden Weehselstromsignals zu dem ebenfalls auftretenden Gleichstromsignal dient als Maß für den Zirkulardichroismus. Eine solche Anordnung gestattet ausschließlich die Messung des Zirkulardiehroismus. Zur Messung der optischen Eotationsdispersion

J ·· *· ·· nt Ii

-4-

muß ein vollständig anderes Gerät, etwa der oben beschriebenen Art, vorgesehen werden.

Es ist aus diesem Grunde eine Anordnung vorgeschlagen worden, bei welcher der Zirkulardichroismus nicht aus dem Absorptionsunterschied sondern aus der Elliptizität des die Probe verlassendes Lichtes bestimmt wird, und bei welcher Zirkulardiehroismua und optische Rotationsdispersion gleichzeitig und mit ein und demselben Gerät gemessen werden. Bei der vorgeschlagenen Anordnung durchsetzt ein von einem Monochromator ausgehendes Lichtbündel auch einen Polarisator, einen Faraday-Modulator, die Probe und einen Analysator, hinter welchem ein Detektor angeordnet ist. Es ist dort jedoch zwischen dem dem Polarisator nachgeschalteten Faraday-Modulator und der Probe eine Lambdavxertelplatte angeordnet. Ein weiterer Faraday-Modulator ist vor dem Analysator angeordnet. Die beiden Faraday-Modulator en werden mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben, und die beiden Grundfrequenzen werden ausgefiltert und dienen zur Steuerung je eines Stellmotors zur Verdrehung des Polarisators bzw« Analysators. Dabei ist die Verdrehung des Polarisators aus der optischen Achse der Lambdavxertelplatte ein Maß für den Zirkulardichroismus, die Verdrehung des Analysators ein Maß für die optische Drehung. Es ist hierbei ein Spezialgerät mit zweifachem Abgleich durch Verdrehung des Polarisators und des Analysators erforderlich«

Der Neuerung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde ein Polarimeter zu schaffen, mit welchem bei einem Mindestmaß an Aufwand mit einem einzigen Gerät sowohl optische Drehung als auch Zirkulardichroismus gemessen werden kann.

Der Neuerung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein für die Messung der optischen Drehung eingerichtetes Polarimeter

mit einfachen Mitteln so naohauszurüsten, daß es die Messung des Zirkulardichroismus gestattet.

Der Neuerung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, den Zirkulardichroismus dabei so zu messen, daß die Messung von der optischen Drehung unabhängig ist.

Die Neuerung geht aus von einem Polarimeter der einganga erwähnten Art und besteht darin, daß die Lambdaviertelplatte wahlweise in den Strahlengang einschaltbar ist.

Es kann somit mit einem einzigen Gerät und unter Ausnutzung der gleichen optischen Glieder, des gleichen Detektors und eines einzigen Stellmotors oder dgl» für den Abgleich se nl der Zirkulardichroismus als auch die optische Drehung gemessen werden. Allerdings erfolgt die Messung nicht gleich·^ zeitig sondern es wird wahlweise die eine oder die andere Größe allein gemessen, was in manchen Fällen durchaus erwünscht ist. Wenn die Lambdaviertelplatte aus dem Strahlengang herausgenommen wird, dann arbeitet das Gerät in der oben beschriebenen Weise und mißt die optische Drehung. Der Drehwinkel des Polarisators ist unmittelbar gleich der optischen Drehung in der Probe. Wenn dagegen in den Strahlengang eine Lambdavlertelplatte zwischen Polarisator und Probe eingeschaltet wird, dann ergibt sich in erster Näherung ein" Signalkomponente der Frequenz W₁.

T I ' I i

-** -O J · r\ V i-iy-i r\ I *—f — /Z /

/ * \ TT Tr *J ^O 1 t>-l-«· C- 'Sy OU ö c. < UU ο C. L- ^{u J} -^

^{w1 2} cos 2ik sin 2<z cos 2 isT. "o^sin W₁1,

wobei folgende Bezeichnungen gewählt wurden:

^ = Winkel zwischen der Durchlaßrichtung des Polarisators und der schnellen Achse der Lambdaviertelplatte.

σ— = Winkel zwischen der Durchlaßrichtung des Analysators und der schnellen Achse der Lambdaviertelplatte.

CC = optische Drehung der Probe.

'-> = Elliptizitätswinkel des Zirkulardiohroismus.

-^o = Schwingwinkel des Polarisators bzw. der Polarsationsebene des einfallenden Lichtes.

Cl <j = Sehwingfrequenz des Polarisators«, X- = Intensität des einfallenden Lichtbündels.

Aus Gleichung (1) erkennt man, daß die Signalkomponente mit der Frequenz W₁ zu null wird, wenn

(2) tg 25 = tg 2 7.5

ist. In diesem Punkt tritt auch ein Phasensprung des Signals um 180° auf. Wenn also der Polarisator in Abhängigkeit von diesem Signal U₁ verdreht wird, bis das Signal verschwindet, dann, gibt die Winkellage C des Polarisators relativ zur schnellen Achse der Lambdaviertelplatte unmittelbar den Elliptizitätsdes Zirkulardichroismus der Probe.

Es ist bemerkenswert, daß bei der neuerungsgemäßen Anordnung der Winkel^ im abgeglichenen Zustand unabhängig von der optischen Drehung'X ist, da der Ausdruck cos 2 ((/.--y) beim Null setzen des Klammerausdrucks in Gleichung (1) herausfällt. Das ist keinesv/egs selbstverständlich und bei vergleichbaren anderen Anordnungen nicht der Fall.

Ein Ausführungsbeispiel der Neuerung ist in der Abbildung dargestellt und im folgenden beschrieben:

-7-

■604638

Mit 1 ist ein Polarisator "bezeichnet, auf den Ton einem Monochromator ein Lichtbündel der Intensität I fällt.

Das Linear polarisierte Licht durchsetzt bei der Messung der optischen Drehung die Probe 2, einen Analysator 3 und fällt auf einen Detektor 4. Der Polarisator schwingt mit einer Frequenz w^. Yon dem Detektorsignal wird mittels eines Filters 5 die Signalkomponente der Frequenz w^ ausgesiebt und steuert über einen Verstärker 6 ein Stellglied 7. Das Stellglied 7 verdreht den Polarisator 1. Bei dieser Betriebsweise wird der Polarisator 1 solange verdreht, bis die Mittellage, um welche die Polarisationsebene vor dem Analysator 3 schwingt, senkrecht zur Durchlaßrichtung des Analysators ist. Wenn keine Probe im Strahlengang ist, dann steht der Polarisator 1 in seiner Mittelstellung gekreuzt zum Analysator 3ο Zur Messung des Zirkulardichroismus wird zwischen Polarisator 1 und Probe 2 eine Lambdaviertelplatte 8 in den Strahlengang eingebracht, deren schnelle Achse senkrecht zur Durchlaßrichtung des Analysators 3 liegt. Wie oben gezeigt, wird jetzt der Polarisator 1 um einen Winkel £ gegen die schnelle Achse der Lambdaviertelplatte verdreht, welcher dem Elliptizitätswinkel^'], des Zirkulardichroismus entspricht.

5604638

Claims (1)

1. •ι 3ο

   Schutzanspruch

   Polarimeter, bei welchem längs einer optischen Achse folgende Bauteile angeordnet sind:

   (a) eine Lichtquelle

   (b) ein Schwingpolarisator, der durch, einen Stellmotor verdreixbar* ist

   (c) eine Lambdaviertelplatte

   (d) eine Probenküvette

   (e) ein feststehender Analysator, dessin Durchlaßrichtung senkrecht zur schnellen Achse der Lambdaviertelplatte liegt, und

   (f) ein Detektor

   dadurch gekennzeichnet, daß die Lambdaviertelplatte (8) aus dem Strahlengang herausbewegbar ist.

   "»mhnttll»