DE6604638U

DE6604638U - POLARIMETERS

Info

Publication number: DE6604638U
Application number: DE6604638U
Authority: DE
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: 1970-02-05

Description

GebrauchsmusteranmeldungUtility model registration

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

PolarimeterPolarimeter

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,The innovation "relates to a polarimeter with a source polarized Light in front of a sample and an analyzer behind the sample, means for generating a periodic Rotation of the polarization plane of the polarized light a central layer, a detector acted upon by the light passing through the analyzer, filter means,

f welche von dem Detektorsigna.l nur die Komponente mit derf which of the Detektorsigna.l only the component with the

j einfachen Frequenz der periodischen Drehung der Polarisa-j simple frequency of the periodic rotation of the polarization

^! tionsebene zur Wirkung kommen lassen, Mitteln zur Veränderung der besagten Mittellage der Polarisationsebene und einer Lambdaviertelplatte im Strahlengang vor der Probe« ^! Let the tion plane take effect, means for changing the said central position of the polarization plane and a quarter-wave plate in the beam path in front of the sample «

Zwei Größen sind für das Polarisationsverhalten einer Probe charakteristisch: Die optische Drehung und der Zirkulardich-, roismus. Die optische Drehung wird dadurch hervorgerufen,Two quantities are characteristic of the polarization behavior of a sample: the optical rotation and the circular dichotomy, roism. The optical rotation is caused by

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.j that right and left circularly polarized light are different Finds fallow indices. This makes the plane of polarization of incident linearly polarized light that As is well known, one can think of a right-hand and a left-hand circularly polarized component as being composed. If circular dichroism occurs, the extinction constants are for right and left circularly polarized Light different. Linearly polarized light then becomes elliptically polarized light.

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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·The wavelength dependence of these quantities is of particular interest. Spectropolarimeters are therefore provided in which the radiation is passed through a monochromator, so that each time a whole spectral range is scanned

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 mitFor measuring the optical rotation or optical eotation dispersion in spectropolarimeters, an arrangement is known in which the radiation from a light source or a monochromator passes through a polarizer, the exiting linearly polarized light hits an analyzer behind which a radiation detector is arranged, and through the sample the polarizer is rotated by an adjustment motor according to the detector signal ₀ To generate a suitable detector signal, the polarizer executes torsional vibrations around its central position, so that a periodic rotation of the polarization plane of the light takes place. If the central position of the plane of polarization of the light striking the analyzer is perpendicular to the direction of transmission of the analyzer, then only a signal with twice the oscillation frequency of the polarizer occurs at the detector. If, on the other hand, the central position of the plane of polarization of the light falling on the analyzer is not perpendicular to the direction of transmission of the analyzer, then a component will also appear in the detector signal which corresponds to the simple oscillation frequency of the polarizer. This signal can thus serve as a measure for the rotation of the mean polarization direction, that is to say for the optical rotation caused by the sample, and can be brought into effect via suitable filter means. This can be an electrical filter element that suppresses the higher harmonics, in particular double the five-round frequency. It can be a Ferrari motor for adjusting the polarizer, one winding with the detector signal and the other winding with it

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.an alternating voltage of the simple polarizer oscillation frequency is charged. The oscillation of the polarization plane can be caused by mechanical oscillations of the polarizer be generated. However, a Faraday modulator can also be used. Similarly, the rotation of the plane of polarization for the purpose of adjustment by rotating the polarizer or by being arranged behind it in the beam path This is done using the Faraday effect. The subsequent rotation of the plane of polarization of the light falling on the sample, which is necessary for the adjustment, is a measure for the optical rotation in the sample.

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 abwechselndTo measure the circular dichroism, it is known to directly determine the difference in the absorption of right and left circularly polarized Measure light. For this purpose a polarization prism is provided through which a linearly polarized Beam is generated. This "bundle" falls on an electro-optic crystal that forms an alternating current field exposed so that it becomes birefringent and out of the incident linearly polarized light alternately makes right and left circularly polarized light. This alternately

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 EotationsdispersionRight and left circularly polarized light passes through the sample and then falls on a photoelectric receiver. For example, if the sample is left circularly polarized more strongly absorbed than right circularly polarized, 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 in which the light is right circularly polarized. An alternating current signal is generated at the receiver. The ratio of the occurring at the recipient The alternating current signal to the direct current signal, which also occurs, serves as a measure of the circular dichroism. Such Arrangement only allows the measurement of circular dehroism. For measuring the optical erosion dispersion

J ·· *· ·· nt IiJ ·· * · ·· nt Ii

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muß ein vollständig anderes Gerät, etwa der oben beschriebenen Art, vorgesehen werden.must be a completely different device, such as the one described above Kind, to be provided.

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«For this reason, an arrangement has been proposed in which the circular dichroism is not derived from the difference in absorption but rather from the ellipticity of that which is leaving the sample Light is determined, and at what circular dehroismua and optical rotational dispersion can be measured simultaneously and with one and the same device. At the proposed Arrangement, a light beam emanating from a monochromator also penetrates a polarizer, a Faraday modulator, the sample and an analyzer, behind which a detector is arranged. It is there, however, between that Polarizer downstream Faraday modulator and the sample a Lambdavxertelplatte arranged. Another Faraday modulator is arranged in front of the analyzer. The two Faraday modulators are operated at different frequencies, and the two basic frequencies are filtered out and are used to control a servomotor for rotation of the polarizer or analyzer. Here is the rotation of the polarizer from the optical axis of the Lambda xertel plate a measure of the circular dichroism, the rotation of the analyzer a measure of the optical rotation. It is here a special device with double adjustment by rotating the polarizer and the analyzer required «

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.In contrast, the innovation is based on the task of a polarimeter to create with which with a minimum of effort with a single device both optical rotation as circular dichroism can also be measured.

Der Neuerung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein für die Messung der optischen Drehung eingerichtetes PolarimeterThe innovation is still based on the task of a polarimeter set up for measuring the optical rotation

mit einfachen Mitteln so naohauszurüsten, daß es die Messung des Zirkulardichroismus gestattet.to equip with simple means in such a way that the Measurement of circular dichroism permitted.

Der Neuerung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, den Zirkulardichroismus dabei so zu messen, daß die Messung von der optischen Drehung unabhängig ist.The innovation is also based on the task of circular dichroism to measure in such a way that the measurement is independent of the optical rotation.

Die Neuerung geht aus von einem Polarimeter der einganga erwähnten Art und besteht darin, daß die Lambdaviertelplatte wahlweise in den Strahlengang einschaltbar ist.The innovation is based on a polarimeter in the input mentioned type and consists in the fact that the quarter wave plate can optionally be switched into the beam path.

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.Thus, with a single device and using the same optical elements, the same detector and a single servomotor or the like, the circular dichroism as well as the optical rotation can be measured for the adjustment. However, the measurement does not take place at the same time; instead, one or the other variable is 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 lambda wave plate is inserted into the beam path between the polarizer and the sample, a "signal component of frequency W ₁ " results as a first approximation.

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-** -O J · r\ V - ** -OJ r \ V i-iy-i r\ I *—f — /Z /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} -^ / * \ TT Tr * J ^ O 1 t> -l- «· C- 'S y OU ö c. <UU ο C. L- ^{u J} - ^

^{w1 2} cos 2ik sin 2<z cos 2 isT. "o^sin W₁1, ^{w1 2} cos 2ik sin 2 <z cos 2 isT. "o ^ sin W ₁ 1,

wobei folgende Bezeichnungen gewählt wurden:whereby the following terms were chosen:

^ = Winkel zwischen der Durchlaßrichtung des Polarisators und der schnellen Achse der Lambdaviertelplatte. ^ = Angle between the forward direction of the polarizer and the fast axis of the quarter wave plate.

σ— = Winkel zwischen der Durchlaßrichtung des Analysators und der schnellen Achse der Lambdaviertelplatte.σ— = angle between the direction of transmission of the analyzer and the fast axis of the quarter wave plate.

CC = optische Drehung der Probe.CC = optical rotation of the sample.

'-> = Elliptizitätswinkel des Zirkulardiohroismus.'-> = angle of ellipticity of circular iohroism.

-^o = Schwingwinkel des Polarisators bzw. der Polarsationsebene des einfallenden Lichtes.- ^ o = oscillation angle of the polarizer or the polarization plane of the incident light.

Cl <j = Sehwingfrequenz des Polarisators«, X- = Intensität des einfallenden Lichtbündels. Cl <j = visual oscillation frequency of the polarizer «, X- = intensity of the incident light beam.

Aus Gleichung (1) erkennt man, daß die Signalkomponente mit der Frequenz W₁ zu null wird, wennFrom equation (1) it can be seen that the signal component with the frequency W ₁ becomes zero when

(2) tg 25 = tg 2 7.5(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.is. At this point there is also a phase jump of the signal by 180 °. If the polarizer is rotated as a function of this signal U ₁ until the signal disappears, then the angular position C of the polarizer relative to the fast axis of the quarter wave plate immediately gives the ellipticity of the circular dichroism of the sample.

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.It is noteworthy that in the arrangement according to the innovation, the angle ^ in the balanced state is independent of the optical Rotation'X is because the term cos 2 ((/.--y) at zero putting the expression in brackets in equation (1) is dropped. That is by no means a matter of course and with comparable others Orders not the case.

Ein Ausführungsbeispiel der Neuerung ist in der Abbildung dargestellt und im folgenden beschrieben:An exemplary embodiment of the innovation is shown in the figure and described below:

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■604638■ 604638

Mit 1 ist ein Polarisator "bezeichnet, auf den Ton einem Monochromator ein Lichtbündel der Intensität I fällt.With 1 is a polarizer "denotes, on the sound one Monochromator a bundle of light of intensity I falls.

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. The linearly polarized light passes through the sample 2, an analyzer 3, when the optical rotation is measured and falls on a detector 4. The polarizer oscillates at a frequency w ^. Yon the detector signal is by means of of a filter 5, the signal component of the frequency w ^ sifted out and controls an actuator 7 via an amplifier 6. The actuator 7 rotates the polarizer 1. At In this mode of operation, the polarizer 1 is rotated until the central position around which the plane of polarization is reached oscillates in front of the analyzer 3, is perpendicular to the direction of passage of the analyzer. If there is no sample in the If the beam path is, the polarizer 1 is in its central position crossed to the analyzer 3ο for measurement of circular dichroism, a quarter-wave plate 8 is placed in the beam path between polarizer 1 and sample 2 introduced whose fast axis is perpendicular to the direction of passage of the analyzer 3. As shown above, the polarizer 1 is now rotated by an angle £ against the fast axis of the quarter-wave plate, which corresponds to the ellipticity angle ^ '], of circular dichroism.

56046385604638

Claims

•ι 3ο• ι 3ο

Claim to protection

Polarimeter, in which the following along an optical axis Components are arranged:

(a) a light source

(b) an oscillating polarizer that can be rotated by a servomotor * is

(c) a quarter wave plate

(d) a sample cell

(e) a fixed analyzer, the forward direction perpendicular to the fast axis of the quarter wave plate, and

(f) a detector

characterized in that the quarter-wave plate (8) can be moved out of the beam path.

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