旋光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

喻秋山，王佩祥，黃志洋，韓立波　(長江大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

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旋光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

喻秋山，王佩祥，黃志洋，韓立波(長江大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

[摘要]旋光效應(yīng)在溶液性質(zhì)和濃度快速檢測(cè)中有著重要的應(yīng)用。以馬呂斯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為基礎(chǔ)，以PIN光電二極管為偏振光信號(hào)探測(cè)器，以STM32F103微處理器為核心，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和顯示，設(shè)計(jì)了一套旋光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有操作簡便、測(cè)量精度高、用戶界面友好和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀等優(yōu)點(diǎn)，能滿足課堂輔助教學(xué)的需要，還可應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中旋光性溶液的性質(zhì)和濃度快速檢測(cè)。

[關(guān)鍵詞]演示系統(tǒng)；旋光效應(yīng)；馬呂斯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

旋光效應(yīng)在溶液性質(zhì)和濃度的快速檢測(cè)中有著重要的應(yīng)用，是偏振光學(xué)教學(xué)中的重點(diǎn)內(nèi)容。該部分內(nèi)容抽象、難懂，課堂教學(xué)效果欠佳，缺少演示效果良好的課堂輔助教學(xué)演示儀器是形成這種局面的重要原因。目前，市面上雖有WXG-4型[1]和WHG-4型[2]等幾種旋光儀可供實(shí)驗(yàn)演示，但該類儀器通常是為生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，存在對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表現(xiàn)力差，操作過程復(fù)雜，測(cè)量精度低、系統(tǒng)誤差大等不足[1～3]，不能很好地滿足當(dāng)前課堂輔助教學(xué)的演示要求。為此，筆者基于馬呂斯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，以STM32F103微處理器為核心，用雙PIN光電二極管采集旋光信息，用差分電路濾除背景光和PIN光電二極管暗電流的干擾，用最小二乘法優(yōu)化測(cè)量精度，用數(shù)據(jù)編程實(shí)現(xiàn)信息采集、處理和顯示的全自動(dòng)化[4]，最終完成一種演示效果良好的旋光效應(yīng)演示儀的設(shè)計(jì)。

1馬呂斯定律與旋光效應(yīng)原理

光的偏振是指光的振動(dòng)方向與傳播方向的不對(duì)稱性現(xiàn)象。如圖1所示，將自然光入射到偏振片P1上將產(chǎn)生偏振現(xiàn)象。保持P1不動(dòng)，在其后垂直于主光軸放置繞軸旋轉(zhuǎn)的偏振片P2，其透射光強(qiáng)I與入射光強(qiáng)I0為馬呂斯定律關(guān)系描述：

I=I0cos2α

(1)

式中， α為P1和P2兩偏振片透光軸方向的夾角。

圖1　偏振原理與旋光效應(yīng)示意圖

圖2　馬呂斯曲線與旋光效應(yīng)的位移變化示意圖

透射光強(qiáng)I與夾角α的關(guān)系可用圖2中正余弦曲線I表示。顯然，當(dāng)P1和P2的透光軸方向相互垂直時(shí)，屏上接收到的光強(qiáng)I為極小值點(diǎn)；當(dāng)P1和P2的透光軸方向相互平行時(shí)，屏上接收到的光強(qiáng)I將為極大值點(diǎn)[5]。

此時(shí)，若在P1和P2之間插入石英晶體(見圖1中旋光介質(zhì)P3)，并使晶體的光軸方向與入射光的偏振方向相一致，可發(fā)現(xiàn)屏上光斑亮度將隨之變化。將P2繞光軸旋轉(zhuǎn)一周，可得到形如圖2中的Ⅱ曲線。與Ⅰ曲線相比，光強(qiáng)變?nèi)酰辔划a(chǎn)生了平移。這表明偏振光在經(jīng)過石英晶體時(shí)有部分能量被吸收，光的偏振面也發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，即形成了旋光現(xiàn)象。將偏振光在石英晶體中所產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角度定義為旋光角，用θ表示，其大小對(duì)應(yīng)著馬呂斯曲線Ⅰ和Ⅱ之間的位相差。

旋光角的大小與溶液的性質(zhì)、濃度C及光通過的介質(zhì)距離d等有關(guān)[6～9]，關(guān)系式如下：

θ=[α]·C·d

(2)

式中，θ為旋光角，(°)；[α]為旋光率，與旋光介質(zhì)自身的性質(zhì)、溫度及入射光的波長等有關(guān)，°/[dm·(g/cm3)]；C為溶液的濃度,g/cm3；d為光通過的介質(zhì)距離，dm。這種具有旋光性的物質(zhì)稱為旋光性物質(zhì)，如石英晶體和一些有機(jī)溶液(典型溶液為蔗糖的水溶液)。在工業(yè)和農(nóng)業(yè)上，若用一根帶有平行平面窗口且管內(nèi)充滿待測(cè)糖溶液的玻璃管代替石英晶體，該裝置叫做量糖計(jì)[8]。將式(1)變?yōu)椋?/p>

C=θ/([α]·d)

(3)

式(3)可用于檢測(cè)糖溶液的濃度，稱為量糖術(shù)。

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于馬呂斯定律的旋光效應(yīng)演示儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，主要由起偏器、檢偏器、光電探頭、放大電路、驅(qū)動(dòng)器、微處理器和顯示器等部分組成。

圖3　旋光效應(yīng)演示儀的系統(tǒng)框圖

1)系統(tǒng)初始化。起偏器P1保持不動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)在微處理器控制下驅(qū)動(dòng)檢偏器P2繞主光軸自由旋轉(zhuǎn)。光電探頭采集透射光強(qiáng)信息，經(jīng)放大和A/D轉(zhuǎn)換后由微處理器依次逐點(diǎn)采集光強(qiáng)數(shù)據(jù)，經(jīng)運(yùn)算數(shù)據(jù)處理后得到一條透光軸夾角α與透射光強(qiáng)的變化關(guān)系正余弦曲線，如圖2中Ⅰ曲線所示。

2)在光路中引入待測(cè)溶液。在起偏器P1和檢偏器P2之間放入待測(cè)溶液，重復(fù)前一步驟。得到另一條透射光強(qiáng)隨夾角(θ+α )(θ為偏振光經(jīng)過旋光溶液時(shí)產(chǎn)生的附加旋光角度)變化的正余弦曲線，如圖2中Ⅱ曲線所示。

3)由微處理器對(duì)所測(cè)2組曲線的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和處理。由前述可知，圖2中兩曲線的相位差大小((α+ θ)-α)即為待測(cè)旋光溶液的旋光角θ。為提高θ角的測(cè)量精度，取2相鄰曲線極小值點(diǎn)的相位之差來表征旋光角θ大小。代入式(2)可以獲得旋光性物質(zhì)的濃度。同時(shí)，結(jié)合已有試驗(yàn)結(jié)果，相位差也可用于定性表征物質(zhì)的旋光性：θ>0表征物質(zhì)具左旋性質(zhì)；θ<0表征物質(zhì)具右旋性質(zhì)；θ=0表征物質(zhì)不具旋光性。由此，實(shí)現(xiàn)了物質(zhì)旋光性在圖像上的直觀、快速鑒別。

3信號(hào)的采集與抗干擾電路設(shè)計(jì)

微處理器不能直接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行采集和處理。因此，必須把含旋光性物質(zhì)濃度信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。系統(tǒng)使用S2387-33R型PIN光電二極管進(jìn)行光-電信號(hào)轉(zhuǎn)換，以差分運(yùn)放電路對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理，經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器將電壓信號(hào)Vout的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，供微處理器作進(jìn)一步處理。

由于背景光和PIN光電二極管暗電流的存在。無論有無信號(hào)光照射，光電二極管中都會(huì)有電流產(chǎn)生，進(jìn)而給所測(cè)數(shù)據(jù)帶來嚴(yán)重干擾，如何有效濾除是電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。采用對(duì)稱差分運(yùn)放電路的設(shè)計(jì)可完美解決此問題，原理圖如圖4所示。

圖4　前置放大電路和差分運(yùn)放電路

圖5　程序流程圖

圖4中框1和框3為雙前置放大電路，此設(shè)計(jì)允許高頻開環(huán)增益的滾降。兩相鄰并排安放的PIN光電二極管探測(cè)器中，一個(gè)專用于檢測(cè)背景光強(qiáng)；另一個(gè)則在檢測(cè)背景光光強(qiáng)的同時(shí)還疊加接收旋光的入射光強(qiáng)信息，經(jīng)由前置運(yùn)放進(jìn)行信號(hào)放大，后輸入下一級(jí)電路?？?為采用2級(jí)運(yùn)放的差分比例運(yùn)算電路圖[10]。該電路具有電阻選取、調(diào)整方便和對(duì)前級(jí)信號(hào)源輸入阻抗近似無窮大等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)2路輸入信號(hào)中的共模信號(hào)具有強(qiáng)抑制作用，可有效濾除背景光和光電管中暗電流的干擾，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。設(shè)計(jì)中運(yùn)放芯片采用結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)的超低偏置電流差動(dòng)運(yùn)算放大器OPA129。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1微處理器的控制流程圖

圖5為微處理器的程序流程圖。微處理器通過執(zhí)行設(shè)定的任務(wù)編程，完成步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)、光強(qiáng)數(shù)據(jù)的采集和運(yùn)算等相關(guān)控制處理。具體工作流程如下：①系統(tǒng)初始化；②通過按鍵給微處理器一個(gè)外部中斷信號(hào)；③微處理器控制步進(jìn)電機(jī)偏轉(zhuǎn)一個(gè)步距角0.05°，并采集光強(qiáng)數(shù)據(jù)；④檢測(cè)檢偏器是否已旋轉(zhuǎn)2周，若不滿足，重復(fù)上一步驟；若滿足，則停止旋轉(zhuǎn)；⑤微處理器發(fā)出指令，對(duì)每個(gè)步進(jìn)位采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理和輸出結(jié)果。

4.2應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制程序采用C語言編程，通過程序調(diào)用和中斷命令的使用能夠?qū)崟r(shí)完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析、處理和顯示。微處理器將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和傳送給計(jì)算程序后，計(jì)算程序?qū)⑺脭?shù)據(jù)進(jìn)行曲線描繪，并解析出在旋光溶液加入前后的2組數(shù)據(jù)中各極小值點(diǎn)附近的角位移數(shù)據(jù)。利用最小二乘法，計(jì)算程序獲得2曲線的相位差，即旋光角度θ的數(shù)值。結(jié)合界面輸入的待測(cè)旋光性溶液的旋光率 [α]和管長d數(shù)據(jù)，由計(jì)算程序根據(jù)式(2)自動(dòng)進(jìn)行濃度計(jì)算并輸出結(jié)果。系統(tǒng)顯示界面如圖6所示。

圖6　旋光效應(yīng)演示及溶液濃度測(cè)量儀的圖形界面

5 測(cè)定試驗(yàn)

試驗(yàn)以波長為632.8nm的激光為旋光信息載體應(yīng)用于蔗糖水溶液濃度的測(cè)定。在20℃環(huán)境下，查得蔗糖水溶液的旋光率為64.00°/[dm·(g/cm3)]，測(cè)得管長為2.00dm。在未放待測(cè)溶液時(shí)，利用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)檢偏器P2旋轉(zhuǎn)2周，獲得透射光強(qiáng)變化的曲線Ⅰ。保持起偏器和光源的強(qiáng)度、透射方向不變，在管中加入待測(cè)溶液，重復(fù)上述操作，得到透射光強(qiáng)變化曲線Ⅱ。導(dǎo)出2測(cè)量曲線中數(shù)據(jù)極小值點(diǎn)附近的旋轉(zhuǎn)角位置數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)光強(qiáng)數(shù)據(jù)，如表1和表2所示。

表1　　　　未加待測(cè)溶液時(shí)旋轉(zhuǎn)角位置與極小透射光

表2　　　　加入待測(cè)溶液時(shí)旋轉(zhuǎn)角位置與極小透射光

對(duì)2條曲線的極小值附近的數(shù)據(jù)點(diǎn)采用最小二乘法處理[11]，分別求得曲線Ⅰ、Ⅱ在最小值處對(duì)應(yīng)的檢偏器旋轉(zhuǎn)角度數(shù)值為179.426°和156.523°，即得旋光角θ≈22.90°。由此，由式(2)計(jì)算出蔗糖溶液的濃度C=0.179g/cm3，與標(biāo)準(zhǔn)值相比可求得相對(duì)誤差為：

(4)

以上計(jì)算均可在STM32F103微處理器中由程序自動(dòng)處理完成。

6結(jié)語

基于馬呂斯定律的偏振光現(xiàn)象設(shè)計(jì)了旋光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用2路PIN光電二極管和差分運(yùn)放信號(hào)處理電路，可很好地將背景光和PIN光電二極管暗電流影響加以濾除。經(jīng)放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路將光信號(hào)量化為數(shù)字信號(hào)，并通過旋轉(zhuǎn)偏振片得到含有待測(cè)溶液旋光信息的馬呂斯曲線，最后通過計(jì)算程序?qū)⑼干涔夤鈴?qiáng)隨透光軸夾角變化的曲線、待測(cè)溶液的旋光性質(zhì)和溶液濃度的計(jì)算結(jié)果等直觀地顯示在用戶界面上。該系統(tǒng)具有3個(gè)方面的特點(diǎn)：

1)實(shí)驗(yàn)原理簡單,光路易于調(diào)節(jié)。只需將光線垂直入射到各個(gè)光學(xué)元件上，起偏器和檢偏器之間的起始透光軸夾角可為任意角度，便于多次重復(fù)測(cè)量。

2)在數(shù)據(jù)處理方面，采用最小二乘法使試驗(yàn)誤差降到最小，提高了試驗(yàn)測(cè)量精度。

3)演示系統(tǒng)對(duì)所有具有旋光性的物質(zhì)都適用，且可以附加力、電、磁、熱等外場(chǎng)，具有良好的內(nèi)容拓展性，快捷、直觀的演示效果，測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，可較好地滿足課堂實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)演示和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用的需要。

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[編輯]張濤

我校4名專家入選“百人計(jì)劃”居省屬高校首位

“今年，我校獲批湖北省‘百人計(jì)劃’特聘專家4人，創(chuàng)歷史新高?！?月29日，從人事處傳出的喜訊在校園不脛而走。據(jù)省委組織部公布的湖北省第六批“百人計(jì)劃”的海外高層次人才名單，全省共有73名專家入選，由我校推薦申報(bào)的吳軍、顧永安、李承道、唐巍4名專家名列其間。

迄今，我校共獲批湖北省“百人計(jì)劃”特聘專家人選 8人。其他4人分別是李百煉、涂憶柳、姚華明、黃海平。

“百人計(jì)劃”是湖北省引進(jìn)海外高層次人才的重要戰(zhàn)略，此項(xiàng)人才工程于2009年正式啟動(dòng)，計(jì)劃用5到10年的時(shí)間引進(jìn)200名緊缺的海外高層次急需人才，為支撐中部崛起戰(zhàn)略提供人才保證和智力支持。在資金支持上，湖北省財(cái)政將對(duì)入選“百人計(jì)劃”的海外創(chuàng)新人才一次性給予每人50～100萬元的補(bǔ)助，授予“湖北省特聘專家”榮譽(yù)稱號(hào)。

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-1409(2016)04-0019-05

[中圖分類號(hào)]O436

[作者簡介]喻秋山(1977-)，男，碩士，講師，現(xiàn)主要從事光電材料與器件應(yīng)用方面的教學(xué)與研究工作； E-mail：qsyu@yangtzeu.edu.cn。

[基金項(xiàng)目]湖北省教育科學(xué)規(guī)劃課題(2015GB040)；湖北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目( 104892014305)；長江大學(xué)教研項(xiàng)目(JY2014026)。

[收稿日期]2015-10-10

[引著格式]喻秋山，王佩祥，黃志洋，等.旋光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(4)：19～23.