旋光效應實驗演示系統(tǒng)設計

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

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旋光效應實驗演示系統(tǒng)設計

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

[摘要]旋光效應在溶液性質(zhì)和濃度快速檢測中有著重要的應用。以馬呂斯實驗現(xiàn)象為基礎，以PIN光電二極管為偏振光信號探測器，以STM32F103微處理器為核心，對光信號進行數(shù)據(jù)采集、處理和顯示，設計了一套旋光效應實驗演示系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有操作簡便、測量精度高、用戶界面友好和實驗現(xiàn)象直觀等優(yōu)點，能滿足課堂輔助教學的需要，還可應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中旋光性溶液的性質(zhì)和濃度快速檢測。

[關(guān)鍵詞]演示系統(tǒng)；旋光效應；馬呂斯實驗現(xiàn)象

旋光效應在溶液性質(zhì)和濃度的快速檢測中有著重要的應用，是偏振光學教學中的重點內(nèi)容。該部分內(nèi)容抽象、難懂，課堂教學效果欠佳，缺少演示效果良好的課堂輔助教學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驗演示，但該類儀器通常是為生產(chǎn)實際應用而設計的，存在對相關(guān)實驗原理、實驗現(xiàn)象表現(xiàn)力差，操作過程復雜，測量精度低、系統(tǒng)誤差大等不足[1～3]，不能很好地滿足當前課堂輔助教學的演示要求。為此，筆者基于馬呂斯實驗現(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)化測量精度，用數(shù)據(jù)編程實現(xiàn)信息采集、處理和顯示的全自動化[4]，最終完成一種演示效果良好的旋光效應演示儀的設計。

1馬呂斯定律與旋光效應原理

光的偏振是指光的振動方向與傳播方向的不對稱性現(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，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I與入射光強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示意圖

圖2　馬呂斯曲線與旋光效應的位移變化示意圖

透射光強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P1和P2的透光軸方向相互垂直時，屏上接收到的光強I為極小值點；當P1和P2的透光軸方向相互平行時，屏上接收到的光強I將為極大值點[5]。

此時，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，光強變?nèi)?，相位產(chǎn)生了平移。這表明偏振光在經(jīng)過石英晶體時有部分能量被吸收，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，其大小對應著馬呂斯曲線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)充滿待測糖溶液的玻璃管代替石英晶體，該裝置叫做量糖計[8]。將式(1)變?yōu)椋?/p>

C=θ/([α]·d)

(3)

式(3)可用于檢測糖溶液的濃度，稱為量糖術(shù)。

2系統(tǒng)總體設計

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

圖3　旋光效應演示儀的系統(tǒng)框圖

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

2)在光路中引入待測溶液。在起偏器P1和檢偏器P2之間放入待測溶液，重復前一步驟。得到另一條透射光強隨夾角(θ+α )(θ為偏振光經(jīng)過旋光溶液時產(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)由微處理器對所測2組曲線的數(shù)據(jù)進行比較和處理。由前述可知，圖2中兩曲線的相位差大小((α+ θ)-α)即為待測旋光溶液的旋光角θ。為提高θ角的測量精度，取2相鄰曲線極小值點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，結(jié)合已有試驗結(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，實現(xiàn)了物質(zhì)旋光性在圖像上的直觀、快速鑒別。

3信號的采集與抗干擾電路設計

微處理器不能直接對光信號進行采集和處理。因此，必須把含旋光性物質(zhì)濃度信息的光信號轉(zhuǎn)換成電信號。系統(tǒng)使用S2387-33R型PIN光電二極管進行光-電信號轉(zhuǎn)換，以差分運放電路對采集的信號進行放大和濾波處理，經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器將電壓信號Vout的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，供微處理器作進一步處理。

由于背景光和PIN光電二極管暗電流的存在。無論有無信號光照射，光電二極管中都會有電流產(chǎn)生，進而給所測數(shù)據(jù)帶來嚴重干擾，如何有效濾除是電路設計的關(guān)鍵。采用對稱差分運放電路的設計可完美解決此問題，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，此設計允許高頻開環(huán)增益的滾降。兩相鄰并排安放的PIN光電二極管探測器中，一個專用于檢測背景光強；另一個則在檢測背景光光強的同時還疊加接收旋光的入射光強信息，經(jīng)由前置運放進行信號放大，后輸入下一級電路?？?為采用2級運放的差分比例運算電路圖[10]。該電路具有電阻選取、調(diào)整方便和對前級信號源輸入阻抗近似無窮大等優(yōu)點，同時對2路輸入信號中的共模信號具有強抑制作用，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。設計中運放芯片采用結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強的超低偏置電流差動運算放大器OPA129。

4系統(tǒng)軟件設計

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)行設定的任務編程，完成步進電機的轉(zhuǎn)動、光強數(shù)據(jù)的采集和運算等相關(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外部中斷信號；③微處理器控制步進電機偏轉(zhuǎn)一個步距角0.05°，并采集光強數(shù)據(jù)；④檢測檢偏器是否已旋轉(zhuǎn)2周，若不滿足，重復上一步驟；若滿足，則停止旋轉(zhuǎn)；⑤微處理器發(fā)出指令，對每個步進位采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)存儲、處理和輸出結(jié)果。

4.2應用軟件的設計

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)進行存儲和傳送給計算程序后，計算程序?qū)⑺脭?shù)據(jù)進行曲線描繪，并解析出在旋光溶液加入前后的2組數(shù)據(jù)中各極小值點附近的角位移數(shù)據(jù)。利用最小二乘法，計算程序獲得2曲線的相位差，即旋光角度θ的數(shù)值。結(jié)合界面輸入的待測旋光性溶液的旋光率 [α]和管長d數(shù)據(jù)，由計算程序根據(jù)式(2)自動進行濃度計算并輸出結(jié)果。系統(tǒng)顯示界面如圖6所示。

圖6　旋光效應演示及溶液濃度測量儀的圖形界面

5 測定試驗

試驗以波長為632.8nm的激光為旋光信息載體應用于蔗糖水溶液濃度的測定。在20℃環(huán)境下，查得蔗糖水溶液的旋光率為64.00°/[dm·(g/cm3)]，測得管長為2.00dm。在未放待測溶液時，利用步進電機帶動檢偏器P2旋轉(zhuǎn)2周，獲得透射光強變化的曲線Ⅰ。保持起偏器和光源的強度、透射方向不變，在管中加入待測溶液，重復上述操作，得到透射光強變化曲線Ⅱ。導出2測量曲線中數(shù)據(jù)極小值點附近的旋轉(zhuǎn)角位置數(shù)據(jù)和對應光強數(shù)據(jù)，如表1和表2所示。

表1　　　　未加待測溶液時旋轉(zhuǎn)角位置與極小透射光

表2　　　　加入待測溶液時旋轉(zhuǎn)角位置與極小透射光

對2條曲線的極小值附近的數(shù)據(jù)點采用最小二乘法處理[11]，分別求得曲線Ⅰ、Ⅱ在最小值處對應的檢偏器旋轉(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)計算出蔗糖溶液的濃度C=0.179g/cm3，與標準值相比可求得相對誤差為：

(4)

以上計算均可在STM32F103微處理器中由程序自動處理完成。

6結(jié)語

基于馬呂斯定律的偏振光現(xiàn)象設計了旋光效應實驗演示系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用2路PIN光電二極管和差分運放信號處理電路，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)換電路將光信號量化為數(shù)字信號，并通過旋轉(zhuǎn)偏振片得到含有待測溶液旋光信息的馬呂斯曲線，最后通過計算程序?qū)⑼干涔夤鈴婋S透光軸夾角變化的曲線、待測溶液的旋光性質(zhì)和溶液濃度的計算結(jié)果等直觀地顯示在用戶界面上。該系統(tǒng)具有3個方面的特點：

1)實驗原理簡單,光路易于調(diào)節(jié)。只需將光線垂直入射到各個光學元件上，起偏器和檢偏器之間的起始透光軸夾角可為任意角度，便于多次重復測量。

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

3)演示系統(tǒng)對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，具有良好的內(nèi)容拓展性，快捷、直觀的演示效果，測量精度高等優(yōu)點，可較好地滿足課堂實驗輔助教學演示和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際應用的需要。

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[編輯]張濤

我校4名專家入選“百人計劃”居省屬高校首位

“今年，我校獲批湖北省‘百人計劃’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。

“百人計劃”是湖北省引進海外高層次人才的重要戰(zhàn)略，此項人才工程于2009年正式啟動，計劃用5到10年的時間引進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，湖北省財政將對入選“百人計劃”的海外創(chuàng)新人才一次性給予每人50～100萬元的補助，授予“湖北省特聘專家”榮譽稱號。

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)04-0019-05

[中圖分類號]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用方面的教學與研究工作； E-mail：qsyu@yangtzeu.edu.cn。

[基金項目]湖北省教育科學規(guī)劃課題(2015GB040)；湖北省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目( 104892014305)；長江大學教研項目(JY2014026)。

[收稿日期]2015-10-10

[引著格式]喻秋山，王佩祥，黃志洋，等.旋光效應實驗演示系統(tǒng)設計[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(4)：19～23.