DE1547171A1

DE1547171A1 - Polarimeter

Info

Publication number: DE1547171A1
Application number: DE19661547171
Authority: DE
Inventors: Carpentier Dipl-P Claus-Dieter; Sebestyen Dipl-Ing Nikolaus
Original assignee: Bodenseewerk Perkin Elmer and Co GmbH
Current assignee: PE Manufacturing GmbH
Priority date: 1966-09-03
Filing date: 1966-09-03
Publication date: 1969-11-20

Description

Polarimeter Die Erfindung betrifft ein Poalrimeter mit einer quelle polarisierten Lichts vor einer Probe und einem Analysator hinter der Probe, Mitteln zur Erzeugung einer periodischen Drehung der Polarisationsebene des polarisierten Lichta um eine Mittellage, einem Detektor, der von dem durch den Analysator tretenden Licht beaufschlagt ist, Filtermitteln, welche von dem Detektorsignal nur die Komponente mit der ! .'ti : x3el1 °a gl I.'173.'3. OIf3lgll C'FSII d'3'C1, A. °L'. J ! i''1' ebene sur Wirkung kommen lassen, Mitteln zur Veränderung der besagten Mittellage der Polarisationsebene und einer Lambdaviertelplatte im Stranlengang vor der Probe. Polarimeter The invention relates to a polarimeter with a source polarized light in front of a sample and an analyzer behind the sample, means to generate a periodic rotation of the plane of polarization of the polarized Lichta around a central position, a detector, from which passing through the analyzer Light is applied, filter means, which of the detector signal only the component with the ! .'ti: x3el1 ° a gl I.'173.'3. OIf3lgll C'FSII d'3'C1, A. ° L '. J! i''1 ' Level sur effect, means to change the said central position the plane of polarization and a quarter wave plate in the aisle in front of the sample.

Zw Größen sind für das plarisationsverhalten einer Probe charakteristisch : DieoptischeDrehungundderZirkulaxichrodsaMßDie optische Drehung g wird dadurch hervorgerufen, daß rechts- und linkszirul. , ra. $rt . at uca. ih . e. uaia crfin @et. Dadurch wird die Poalrisationisebene einfallenden linearpolarisierten Lichts, das man bekanntlich aus einer rechts- und eienr linkszirkularpolarisierten Komponente zusammengestzt denken kan 4rhv o : . Au ; °. o . : ; . o. u i i xtian. rorstEn r a r. . . r,larpola. ir Licht verschieden. Aus linearpolarisierten Licht wird dann elliptisch polarisiertes Licht.Two sizes are characteristic of the polarization behavior of a sample : The optical rotation and the circular axichrodmeas The optical rotation g becomes thereby caused that right and left circulatory. , ra. $ rt. at uca. ih. e. uaia crfin @et. As a result, the polarization plane of incident linearly polarized light is which is known to be made up of a right and a left circularly polarized component think together kan 4rhv o:. Au; °. o. :; . o. u i i xtian. rorstEn r a r. . . r, larpola. ir light different. From linearly polarized Light then becomes elliptically polarized light.

Es interessiert insbesondere die Wellenlängenabhängigkeit dieser GrUßent Be sind daher äpektropolarimeter vorgesehen worden, bei denen die Strahlung durch einen Monochromator geleitet wird, so daß jew ein ganzer Spektralbereich abgetastet wird.The wavelength dependence of these variables is of particular interest Be therefore äpektropolarimeter have been provided, in which the radiation through a monochromator is passed so that a whole spectral range is scanned will.

Zur Messung der optische Drehung bzw. optischen Rotationsdispersion bei Spektropolarimetern ist eine anordnung bekannt, bei welcher die Strahlung einer Lichtquelle bzw. eines Monochromators einen Polarieator durchsetzte das austretende linearpolarisierte Licht durch die Probe auf einen Analysator trifft, hinter welchem ein Strahlungsdetektor angeordnet ist, und der Polarieator durch einen Abgleichmo-. tor nEIIOh Maßgabe des Detektorsignals verdreht wird. Zur Erzeugung einen Ly. ge. ten rag, it rc Pm3lc. or re3aschwingungen um seine Mittellage aus, so daß eine periodische Drebunxg der Polarisatoinsebene des Lichtes erfolgt. Wenn die mittellage der Polarisatoinsebene des auf den Analysator trefenden Lichtes senkrecht zu der Durchlaßrichtung des Analysstors ist, dann tritt am Detektor nur ein Signal mit der doppelten Schwingfrequenz des Polarisators auf. Ist dagegen die Mittellage der Polarisatoinsebene des auf den Analysator fallenden Lichts nicht senkrecht zu dr Durchlaßrichtung des Analysators, dann tritt im Detektrosignal auch eine Komponante auf, die der einfachen Schwingfrequenz desw Polarisators entspricht. Dieses Signal kann somit als Maß für die Verdrehung der mittleren Polarisatoinsrichtung, also für die durch die Probe bewirkte optische Drehung dienen und über geeignete Filtermittel zur Wirkung gebracht werden. Dabei kann es sich um ein elektrieches Siebglied ed handeln, das die die Harmonischen, insbesondere die doppelteGrundfrequansunterdrückt.EskannsichumeinenFerrariamotor zur @tellung des Polarisators handeln, dessen eine Wicklung mti dem Detektorsienal und dessen andere Wicklung mit einer Wechselspannung von der einfachen polarisator-Schwingfrequenz beschickt wird. Die Schwingung der Polarisatoinsebene kann durchmechanischeSchwingungendeaFolarieatoyaerseugtwerden.«Man kann jedoch aueh einen Fara@ay-Modulator vorsehen. In ähnlicher Weise kann die Drehung der arisationsebene zum Zwecke des Abgleiohes durch Verdrehung des Polarisators oder durch hinter diesem im Strahlengang angeordnetes Glied unter Ausnutzung des Faraday-Effektes erfolge. Die zum Abgle ch erforderliche nachdrehung der Polarisationsebene des auf die Probe fallenden Lichtes ist ein Maß für die optische Drehung in der Probe. a Zur Messung des Zirkulardichroismus ist es bekannt, unmittelbar de : Unterechied in der Absorption von rechts- und linkszirkularpolarisiertem Licht zu messin. Zu diesel Zweck ist ein Polarieationsprisma vorgesehen, durh welches ein linoarpolariaiertee Strahlenbtindel erzeugt wird. Diee BUndel fällt auf einen elektroo @tischen Kristall, der einem Wechselstromfeld ausgesetzt ist, so daß er doppelbrechend wird und aus dem auftreffenden linearpolaritiertem lient abwechselnd rechts-und linkazirkularpolarisiertes Licht macht. Dieses abwechseld rechts- und linkszirkularpolarisierte Licht durchsetzt die Probe und fällt danna uf einen photoelektrischen Empfänger. Wenn die Probe beispielsweise linkszirkularpolarisiertes Licht stärker absorbiert als rechtszirkultrpolariaiertes, dann wird während der Halbwelle, während welcher das Licht linkszirkularpolarisiert ist, ein geringerer Lichtstrom auf den Empfänger fallen als während der anderen Hlbwelle, beier das Lichta rechtszirkularpolarisiert ist. Am Empfänger entsteht ein Wechselstromsignal. Das Verhältnis des am Emfpänger auftretenden Wechselstromsignals zu dem ebenfalls auftretenden Gleichstromsignal dient als Maß für den Zirkulardichroismus. Eine solche Anordnung gestattet ausschließlich die Messung des Zirkulardichroismus. Zur Mes ng der optischen Rotationsdispersino muß ein vollstänig andere Grät, etwa der obenh beschriebenen Art, vorgeehen werdeno.For measuring the optical rotation or optical rotation dispersion In the case of spectropolarimeters, an arrangement is known in which the radiation of a Light source or a monochromator a polarizer penetrated the emerging linearly polarized light through the sample hits an analyzer, behind which a radiation detector is arranged, and the polarizer by a matching mo-. tor nEIIOh according to the detector signal is rotated. To generate a Ly. ge. ten rag, it rc Pm3lc. or re3a oscillations around its central position, so that a periodic Drebunxg the polarization plane of the light takes place. When the central position of the polarization plane of the light hitting the analyzer perpendicular to the direction of transmission of the analyzer then only a signal with twice the oscillation frequency of the occurs at the detector Polarizer. If, on the other hand, the central position of the polarization plane of the Light falling from the analyzer is not perpendicular to the direction of transmission of the analyzer, then a component also appears in the detector signal, that of the simple oscillation frequency desw polarizer. This signal can thus be used as a measure of the rotation the mean polarization direction, i.e. for the optical effect caused by the sample Serve rotation and are brought into effect via suitable filter media. Included can it be an electrical filter element ed that the harmonics, In particular, the double fundamental frequency is suppressed. It can be used in a Ferrari engine act to position the polarizer whose one Winding with the detector and its other winding with an alternating voltage from the simple polarizer oscillation frequency is charged. The oscillation of the plane of polarization can be absorbed by mechanical vibrations of the provide a Fara @ ay modulator. In a similar way the rotation of the plane of arization for the purpose of Abgleiohes by twisting the polarizer or behind it member arranged in the beam path taking advantage of the Faraday effect. The subsequent rotation of the plane of polarization of the on the sample, which is necessary for the adjustment falling light is a measure of the optical rotation in the sample. a For measurement of circular dichroism it is known immediately de: difference in absorption from right and left circularly polarized light to brass. To the same purpose a polarization prism is provided, by means of which a linoarpolariaiertee radiation beam is produced. The bundle falls on an electroo @tic crystal, which one AC field is exposed so that it becomes birefringent and out of the incident linearly polarized light alternates between right and left circularly polarized light power. This alternately right and left circularly polarized light penetrates the sample and then falls on a photoelectric receiver. For example, if the sample left circularly polarized light absorbed more strongly than right circularly polarized light, then during the half-wave during which the light is left circularly polarized is, a lower luminous flux falls on the receiver than during the other Half-wave when the lighta is right-circularly polarized. Arises at the recipient an AC signal. The ratio of the AC signal appearing at the receiver for the direct current signal, which also occurs, serves as a measure of the circular dichroism. Such an arrangement only allows the measurement of circular dichroism. To measure the optical rotary dispersion, a completely different one must be used Bones, approximately of the type described above, to be proceeded.

Es ist aus diesem Grunde keine Anordnung vorgeschlagen worden, bei welcher der Zirkulardichroisnus nicht aus dem Absorptionsunterschied sondern aus der Elliptizität des die Probe verlaseendes Lichés bestimmt wird, und bei welcher Zirkulardichroismus und optische Rotationsdisperision gleichzeitig und mit ein und demselben Gerät gemessen werden. Bei der vorgeschlagenen Anordnung durabostat ein von einem Monochromator ausgehendes Lichtbündel auch einen Polarisator, einen Faraday-Modualtor, die Probe und einen Analysator, hinter welchem dem ein Detektor angeordnet ist. Es ist dort jedoch zwischen dem Polarisator nachgeschalteten Faraday-modulator und der Probe eine IF daviertelplatte angeordnet. Bin weiterer Faraday-Modulator iat vor dam Analyeator angeordnet. Die beiden Faraday-Modulatoren werden mit unterschiedlichen Prequensen betrieben, und die beiden Grundfrequenzen werden auegefiert und dienen zur Steuerung je eines Stellmotors sur Vardrebung des Polarisators bzw. Analysators. Dabei ist die Verdrehung des Polarisatore aus der optischen Aches der Lambdaviertelplatte ein M für den Zirkulardichroismue, die Verdrehung des Analyeatore ein Maß für die optische Drehung. Es ist hierbei ein Spezialgerät mit zweifachem Abgleich durch Verdrehung des Polarisators und des Analysators erforderlich. For this reason, no arrangement has been proposed at which is the circular dichroism not from the difference in absorption but from the ellipticity of the Liché leaving the sample is determined, and at which Circular dichroism and optical rotational dispersion simultaneously and with one and the same device. In the proposed arrangement durabostat one light beam emanating from a monochromator also has a polarizer, a Faraday modulator, the sample and an analyzer, behind which a detector is arranged. It is there, however, between the Faraday modulator and downstream of the polarizer an IF quarter plate placed on the sample. I'm another Faraday modulator iat placed in front of the analyeator. The two Faraday modulators are using different Prequensen operated, and the two basic frequencies are established and serve to control a servomotor for each polarizer or analyzer. The rotation of the polarizer is out of the optical axis of the quarter-wave plate an M for the circular dichroism, the twist of the Analyeatore a measure for the optical rotation. It is a special device with double adjustment Rotation of polarizer and analyzer required.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde ein Poalrimeter zu schaffen, mit welchem bei einen Mindesmaß an Aufwand mit einem einsigen GerEt nowohl optische Drehung ale auch Zirkulardichroiamua gemessen werden kann. In contrast, the invention is based on the object of a polarimeter to create with which at a minimum of effort with a single device nowohl optical rotation can also be measured circular dichroiamua.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein für die Meseung der optischen Drehung eingerichtetes Poalrimeter mit einfachen Mitteln so nachauszurüsten, daß es die Messung des Zirkulardichroismus gestattet. The invention is also based on the object of a for measurement to retrofit a Poalrimeter set up for optical rotation with simple means so that that it allows the measurement of circular dichroism.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, den Zirkulardiohroismus dabei so zu messen, daß die Messung von der optischen Drehung @ unabhängig ist.The invention is also based on the object of circular iohroism to measure in such a way that the measurement is independent of the optical rotation @.

Die Erfindung gaht aus von einem Polarimeter der eingangs erwähnten Art und besteht darin, daß die Lambdaviertelplatte whalweise in den Strahlengang einachaltbar ist.The invention is based on a polarimeter of the type mentioned at the beginning Type and consists in the fact that the quarter wave plate is whale-wise into the beam path is adaptable.

Ee kann aomit mit einem einzigen Gerat und unter Ausnutzung der gleichen optischen Glieder, des gleichen Detektros und eines einzigen Stellmotors oder dgl. fUr den Abgleich sowohl der Zirkulardicbroismus ale auch die optische Drehung gemessen werdeno Allerdings erfolgt die Messung nicht gleichzeitig sondern es wird wahlwei@ se die eine oder die andere GrUge allein gemessen, was in manchen Palle durchaus erwünscht ist. Wenn die Lambdaviertelplatte aus dem Strahlengang berauegenommen wird, dann arbeitet das Gerät in der oben beschriebenen Weise und mißt die optische Drehung. Der Drehwinkel des Polarieatore ist unmittelbar gleich der optischen Drehung in der Probeo Wenn dagegen in den Strahlengang eine Lambda-@iertelplatte zwischen Polarisator und Probe eingeschaltet wird,d am ergibt sich in frater N5herung eine Signalkompoente der Frequenz W1 wobei folgende Bezeichnungen gewählt wurden : # = Winkel zwischen der Durchlaßrichtung des Polarisators und der sohnellen Achse der Lambdaviertelplattes.Ee can thus be measured with a single device and using the same optical elements, the same detector and a single servomotor or the like for the adjustment of both the circular dicbroism and the optical rotation.However, the measurement is not carried out simultaneously but is optionally one or the other reason measured alone, which is quite desirable in some cases. When the quarter wave plate is removed from the beam path, the device operates in the manner described above and measures the optical rotation. The angle of rotation of the polarizer is directly equal to the optical rotation in the sample. If, on the other hand, a quarter-wave plate is inserted into the beam path between polarizer and sample, a signal component of frequency W1 results in a frater approximation where the following designations were chosen: # = angle between the transmission direction of the polarizer and the similar axis of the quarter wave plate.

# Cr = @nkel zwischen der Durchlaßriehtung des Analysators und der schnellen Achse der Lambdaviertelplatte. # Cr = angle between the passage direction of the analyzer and the fast axis of the quarter wave plate.

α = ~optische Drehung der Probe. α = ~ optical rotation of the sample.

# = Elliptizitätswinkel des Zirkulardichroismus. # = Angle of ellipticity of circular dichroism.

, Schwingwinkel des Polarisators bzw. der Polarisationsebene den einfallenden Lichtes. , Angle of oscillation of the polarizer or the plane of polarization den incident light.

#1 = Schwingfrequenz des Polarisators. # 1 = oscillation frequency of the polarizer.

I0 = Intensoität des einfallenden Lichtbündels. I0 = intensity of the incident light beam.

Aus Gleiobung (1) erkennt man, daß die Signalkomponente mit der Frequenz w1 zu null wird, wenn (2) tg 2@ = tg 2 @ ist. In diesem Punkt tritt auch ein Phaaenaprung des Signale us 80° auf. Wenn aleo der Polarixator inAbhängigkeitvondieaem Signal Uw1 verdreht wird, bis das Signal verschwindet, dann gibt die Winkellage @des Polarisators relativ zur schnellen Achse der Lambdaviertelplatte unmittelbar den Elliptizitärtswinkel # des Zirkulardiohroiamua der Probe.From equation (1) it can be seen that the signal component increases with the frequency w1 becomes zero when (2) tg 2 @ = tg 2 @. At this point there is also a phaenaprung of the signals us 80 °. If aleo the polarixator depending on the signal Uw1 is rotated until the signal disappears, then gives the angular position @ of the polarizer relative to the fast axis of the quarter wave plate directly the ellipticity angle # of the circular iohroiamua of the sample.

Es ist bemerkenawert,da8beidererfindungaßemäBenAnordnungder Winkelg im abgeglichenen Zustand unabhängig von der optischer Drehudn α ist, da der Ausdruck cos 2 (α-#) beim Nullsetzen des Klammerausdrucks in Gleichung (10 herausfällt. Das ist keineswege selbstverständlich und bei vergleichbaren anderen Anordnungen nicht der Fall.It is noteworthy that in the invention the angular arrangement is similar in the balanced state is independent of the optical rotation α, since the Expression cos 2 (α- #) when zeroing the expression in brackets in equation (10 falls out. That is by no means self-evident and with comparable others Orders not the case.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Abbildung dargestell und im folgenden beschrieben: Mit 1 iat ein Polariaator beseichnet, auf den von einem Xonochrometor ein Lichtbündel der Intensität I0 fällt. Das linear polarisierte Licht durchsetzt bei der Messung der optischen Drehung die Probe 2, einen Analyeator 3 und f auf einen Detektor 4. De rpolarisator schwingt mit t einer Frequenz w1. Von dem Detektorsignal wird mittela eines Filters 5 die Signalkomponents der Frequens w1 aungesiebt und steuert über einen Verstärker 6 ein Stellglied 7. Das Stellglied 7 verdreht den Polarisator 1. Bei dieser Betriebsweise wird der Polarie 1 ebldtr'rerxet, b. tll. I. 11 ti tr. ah at~o ariaationaee&evordemAMy<atörohißtnkrhtM?DMrßhlassrichtung des Analysators ist. Wenn keine Probe im Strahlengang ist, dann steht der Polarisator 1 in neiner Mittelsellung gekreuzt zum Analysator 3. 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 geseigt, wird jetzt der Polarisator 1 um einen Winkelg gegen die schnelle Achse der Lambdaviertelplatts verdreht, welcher dem Elliiptizitatswinkel 29 des zirkulardichroismus entspricht.An embodiment of the invention is shown in the figure and described in the following: With 1 iat a Polariaator denoted to that of A light beam of intensity I0 falls on a xonochrometer. The linearly polarized When measuring the optical rotation, light passes through the sample 2, an analyzer 3 and f onto a detector 4. The polarizer oscillates at a frequency w1 at t. The detector signal is averaged of a filter 5 the signal component The frequency w1 is unscreened and controls an actuator 7 via an amplifier 6. The actuator 7 rotates the polarizer 1. In this mode of operation, the polarity 1 ebldtr'rerxet, b. tll. I. 11 ti tr. Ah at ~ o ariaationaee & evordemAMy <atörohißtnkrhtM? DMrßhlassrichtung of the analyzer. If there is no sample in the beam path, the polarizer is stationary 1 in no central position crossed to the analyzer 3. For measuring the circular dichroism a quarter-wave plate 8 is placed in the beam path between polarizer 1 and sample 2 introduced, the fast axis of which is perpendicular to the direction of passage of the analyzer 3 lies. As shown above, the polarizer 1 is now at an angle against the The fast axis of the quarter-wave plate is twisted, which corresponds to the ellipticity angle 29 of circular dichroism.

Claims

Polarimeter with a source of polarized light in front of a sample and an analyzer behind the sample, means for generating a periodic rotation of the polarization plane of polarized light around a central position, a detector exposed to the light through the analyzer, filter means, which only the component em with the simple frequency of the periodic rotation of the plane of polarization come into effect, means for change of said central position of the plane of polarization and a quarter wave plate in the Surahlengang before the sample, characterized in that the quarter wave plate (8) can optionally be switched into the beam path.