双光路偏振测量系统的研究

　　随着生物学和医学研究的不断深入,需要有更多的现代方法对高分子物质的分子结构和生物液体的组成成分进行分析。由于偏振仪可以同时获取被测物质的组成成分、分子结构和分子间相互作用力大小的信息,其在生物学和医学中的作用越来越大[1~3]。它主要用于实验室条件下生物流体偏振特性的测量,同样可用于检测含有旋光物质生物医学溶液的浓度、旋光介质分子结构的确定。例如,用于糖尿病的医学实验诊断。但由于大多数生物溶液在光的作用下特性不稳定,且偏振仪测量精度较低,测量速度慢,所以在生物医学中的实际应用受到了很大程度的限制。本文将介绍一种双光路偏振检测系统,它和传统的单光路偏振检测系统相比精度可以提高一倍,同时可以降低对光学元件所用材料的透光度的光学零件制造精度和安装精度的要求。

　　1　测量模型

　　偏振系统的测量模型如图1所示。检偏器的定位,应使它们的透光轴方向和起偏器的透光轴方向分别成F1,F2的夹角。测量时,将被测液体注入玻璃管内,由于旋光作用使两路偏振光的偏振面发生变化,两光路的输出电信号U1和U2的幅值相应改变。此时输出信号具有以下形式:

　(1)

　　式中K1,K2为信号的总光电转换系数,主要指起偏器、被测液体和检偏器的透光率、光电接收器灵敏度以及电路放大器的放大倍率;θ为被测旋光物质所引起的偏振面方位角改变量。为使后续数据处理简单化,使起偏器和检偏器的放置位置满足以下条件:

　　并引入参数P:　

  (3)

　　把式(1)和(2)代入式(3),得:

　　测量前,预先调节电路中放大器的放大倍率,使|U1|=|U2|,式(3)可以简化为下列形式:

　　式中“±”号表示旋光介质引起的偏振面旋转方向,顺时针为正(后面将省略)。进一步简化公式,使F=45°,则:

　　对式(6)讨论,可以得出如下结论:①双光路偏振系统的测量灵敏度(dP/dθ)是单光路偏振系统(dU/dθ)的2倍;②双光路偏振系统的测量参数P和两光源的强度I1,I2无关,即和被测介质的透光度无关,这对于研究生物液体十分重要;③生物医学溶液引起的旋光角θ一般很小(不大于10°),这时测量参数P≈2θ,P和θ角呈线性关系。由公式(4)可知,通常情况下,测量参数P不仅和旋光角θ相关,和起偏器、检偏器的安装位置F也相关(图2)。当F=45°

时,P(θ)线性度最好,θ有最大的线性动态变化范围。图3表明系统灵敏度随着F角的增大而提高,且θ有不同值时,在曲线的顶点处对应有不同的F优化值F优使测量误差最小。图4是系统灵敏度和θ的关系曲线。当θ很小时用增大F值的方法可以减小测量误差。然而,F值的增加会使接收信号强度减弱,信号信噪比降低,这就要求系统偏振元器件的偏振度要很高。当F很大时,P(θ)是非线性的,测量的不等精度性使数据处理复杂化,测量范围减小。