Принцип поляриметрических измерений состоит в числовой оценке угла поворота α плоскости поляризации линейно поляризованного излучения при его прохождении через оптически активное вещество[1].

Устройство и работа поляриметра

Фактически в поляриметрах с помощью фотоприемника измеряется интенсивность излучения для отдельных последовательных положений линейного[2] анализатора в оптической системе «источник света – поляризатор – оптическая среда (исследуемое вещество) – анализатор», в которой анализатор вращается автоматически посредством механического устройства (например, шагового двигателя). Фотоприемник преобразует свет в электрической сигнал, при этом амплитуда электрического сигнала пропорциональна интенсивности падающего на него света.

Источник света оптической системы может представлять собой либо лампу (натриевую или галогеновую), либо светодиод с излучением жёлтого цвета (около 589 нм). Так как излучение светодиода (и галогеновой лампы) распространяется в большом телесном угле и имеет полуширину спектра излучения более 50 нм, для эффективного функционирования оптической системы требуется применение дополнительных оптических элементов: коллиматора (линзовый элемент), преобразующего расходящийся пучок света (световой конус) в квазипараллельный[3], и интерференционного фильтра, выделяющего из спектра излучения светодиода узкий, как правило, около 10 нм, спектральный диапазон. Отсечение неиспользуемых в измерениях длин волн важно для увеличения точности измерений[4]. 

Далее сколлимированный[5] пучок света падает на поверхность поляризатора и, благодаря возникающим в нем процессам[6], приобретает свойства линейно поляризованного излучения.

Распространяясь в оптически активной среде (жидкости), расположенной в стеклянной кювете, плоскость поляризации линейно поляризованного излучения поворачивается по часовой, либо против часовой стрелки в зависимости от свойств исследуемого вещества. Покинув кювету с образцом, свет, плоскость поляризации которого повернулась на определенный угол, падает на поверхность анализатора и проходит через него. На выходе из анализатора мы получаем свет, интенсивность которого зависит от положения анализатора. Отметим, что анализатор неотличим по физическим свойствам и геометрическим параметрам[7] от поляризатора (то есть это такой же поляризатор, как и первый) и назван иначе, исходя из его функционального назначения.

Изменение интенсивности света при повороте анализатора удачно проиллюстрировано на gif-анимации, расположенной ниже.

Рис.1. Гашение оптического излучения при повороте анализатора

Величина угла поворота α плоскости поляризации определяется по изменению положения максимума интенсивности (полное пропускание при совпадении плоскости поляризации вышедшего из кюветы света и положения главного направления анализатора), либо по изменению положения минимума интенсивности (полное гашение при скрещенном положении). Грубо говоря, исследуемое вещество вносит некую угловую поправку (см. Рис.2), которая и характеризует исследуемое вещество: пока в системе поляризатор-анализатор вещества нет, мы находим положение максимума/минимума интенсивности света и фиксируем положение анализатора; при внесении исследуемого вещества между поляризатором и анализатором прежнее положение последнего уже не даст максимум/минимум в прежнем месте, и анализатор нужно повернуть на некоторый угол для его получения. Угол, на который необходимо повернуть анализатор, и является искомым.

Рис.2. Схематичное изображение поляриметра и принципа его работы

Другие величины, например, удельное вращение  (и другие), определяются исходя из измеренного угла поворота α плоскости поляризации и известных данных: удельное оптическое вращение представляет собой угол вращения плоскости поляризации монохроматического света при длине волны D-линии спектра натрия (589,3 нм), выраженный в градусах, измеренный при температуре 20 °С, рассчитанный для толщины слоя испытуемого вещества 100 мм и приведенный к концентрации вещества, равной 1 г/мл.

___________________________________________________________________________________________________

[1] Объяснение терминов приведено в Глоссарии

[2] Линейный поляризатор и линейный анализатор обладают свойством пропускать (получать) линейно поляризованное излучение. Далее в статье обозначены как «поляризатор» и «анализатор».

[3] «Квази» означает почти, близко к. Реальные пучки света, строго говоря, не являются параллельными.

[4] Существует явление дисперсии, выражающееся в различии свойств материала в зависимости от длины волны падающего излучения. В данном случае речь идет о влиянии вращательной дисперсии (дисперсии оптического вращения). Для большинства приложений, в том числе и в поляриметрии, с этим явлением борются для достижения более высокой точности значений измеряемых величин. 

[5] То же, что и квазипараллельный пучок в данном случае.

[6] Читайте в статье «Способы получения линейно поляризованного излучения»

[7] Для упрощения конструкции поляриметра и минимизации затрат на его производство