旋光仪计量检测中光源稳定性对测量结果的影响

中图分类号：TH712 文献标识码：A

引言

光源作为旋光仪的核心部件，其强度波动、波长漂移、光谱分布变化等不稳定现象，会导致测量光路中的光强、偏振态发生改变，进而影响旋光角的测量精度。传统的旋光仪计量检测往往忽视光源稳定性的影响，或仅采用简单的补偿措施，难以满足现代高精度测量需求。因此，深入研究光源稳定性对旋光仪测量结果的影响机制，提出有效的控制与修正方法，对提升旋光仪计量性能具有重要的理论和现实意义。

1 旋光仪工作原理与光源特性

1.1 旋光仪工作原理

旋光仪基于物质的旋光效应实现测量。当线偏振光通过具有旋光性的物质时，其偏振面会发生旋转，旋转角度（即旋光角）与物质的浓度、光程及比旋光度相关，符合比耳-旋光定律：

其中， 为旋光角， 为比旋光度（与物质特性、温度t和波长λ有关），c为物质浓度，l为光程。旋光仪通过起偏器产生线偏振光，经样品池后，由检偏器检测偏振面的旋转角度，最终由光电探测器将光信号转换为电信号，通过电路处理和数据计算得出旋光角[1]。

1.2 旋光仪常用光源类型及特性

旋光仪常用的光源包括钠光灯、汞灯、发光二极管（LED）及激光光源。钠光灯作为传统光源，具有单色性好、发光强度高的特点，其特征谱线为 589.3nm （D线），常用于基准测量；汞灯可提供多条特征谱线，但需配合滤光片获取单色光；LED光源具有寿命长、功耗低、稳定性好等优势，光谱范围较宽，可通过波长选择实现特定波长输出；激光光源则具有高单色性、高亮度和方向性强的特点，但成本较高。不同光源的光谱特性、强度稳定性及使用寿命差异显著，直接影响旋光仪的测量性能。

2 光源稳定性对旋光仪测量结果的影响机制

2.1 光源强度波动的影响

光源强度的波动会导致测量光路中的光强发生变化，进而影响光电探测器的输出信号。当光源强度减弱时，探测器接收到的光信号降低，电路处理后的信号幅值减小，可能导致旋光角测量值偏低[2]；反之，强度增强时测量值偏高。此外，光源强度的不稳定还会引入噪声，降低信号的信噪比，使测量结果的重复性变差。例如，钠光灯在启动和稳定过程中存在强度波动，若未进行有效控制，会导致测量误差增大。

2.2 光源波长漂移的影响

光源波长的漂移会改变物质的比旋光度，从而影响旋光角测量结果。根据比旋光度与波长的关系，不同波长下同一物质的旋光能力不同。例如，蔗糖在 589.3nm 波长下的比旋光度为 +66.5^∘ ，而在 546.1nm 波长下变为 +67.0^∘ 。若光源波长发生漂移，未及时修正，会导致计算出的物质浓度或纯度出现偏差。此外，波长漂移还可能影响光学元件（如偏振片、滤光片）的性能，降低光路的传输效率和测量准确性。

2.3 光源光谱分布变化的影响

光源光谱分布的变化会改变光的偏振特性和能量分布。当光谱中杂散光成分增加时，会干扰线偏振光的纯度，使偏振面的旋转角度测量产生误差。例如，LED光源在长时间工作后，其光谱可能发生展宽或峰值偏移，导致通过样品池的光不再是单一波长的线偏振光，从而影响旋光角的准确测量[3]。此外，光谱分布变化还会引起光学元件的色散效应，进一步加剧测量误差。

3 光源稳定性对旋光仪测量结果影响的实验研究

3.1 实验装置与方法

搭建实验平台，采用高精度旋光仪（精度 ±0.01^∘ ），分别使用钠光灯、LED光源进行测试。通过调节光源的供电电压、工作温度等条件，模拟光源不稳定状态。在测量过程中，使用光功率计实时监测光源强度，光谱仪测量光源波长和光谱分布，同时记录旋光仪的测量数据。实验设置对照组（稳定光源条件）和实验组（不稳定光源条件），对比分析测量结果。

3.2 实验结果与分析

实验数据表明，光源强度波动与旋光角测量误差呈线性关系。当钠光灯强度波动±10% 时，旋光角测量误差可达 ±0.05^∘ ；LED光源波长漂移 1nm ，会导致蔗糖溶液的浓度测量误差增加 2% 。光谱分析显示，光源光谱展宽会使偏振光的消光比降低，进而影响旋光角测量精度[4]。通过统计学分析，得出光源稳定性参数（强度波动、波长漂移量）与测量误差的量化关系，为后续修正提供依据。

4 提升光源稳定性及测量结果修正方法

4.1 光源稳定性优化策略

针对光源不稳定问题，可采取以下优化措施：第一，电源稳定控制：采用高精度稳压电源，减少电压波动对光源强度的影响；对钠光灯等气体放电光源，增加预热时间，使其发光稳定。第二，温度控制：为LED光源等对温度敏感的器件配备温控装置，通过散热片和温度传感器实现恒温控制，降低波长漂移。第三，光学滤波与校准：使用窄带滤光片提高光源单色性，定期对光源波长进行校准；采用双波长或多波长测量方法，降低波长漂移的影响。

4.2 测量结果修正方法

基于实验数据建立误差修正模型，对测量结果进行补偿：第一，强度补偿法：根据光源强度与测量误差的关系，建立强度-误差校准曲线。在测量时，实时监测光源强度，通过查表或拟合公式对测量结果进行修正[5]。第二，波长修正模型：结合物质的比旋光度-波长曲线，建立波长漂移与测量误差的数学模型。当检测到光源波长变化时，自动调整比旋光度参数，重新计算旋光角。第三，数据融合算法：利用卡尔曼滤波、神经网络等算法，融合光源稳定性参数与测量数据，实现对测量结果的动态修正，提高测量准确性。

5 结束语

本论文系统研究了旋光仪计量检测中光源稳定性对测量结果的影响机制，通过实验验证了光源强度波动、波长漂移及光谱分布变化对旋光角测量的显著影响，并提出了有效的稳定性优化策略和测量结果修正方法。研究表明，通过控制光源稳定性并结合误差修正技术，可将旋光仪测量误差降低 50% 以上。未来研究可进一步探索新型光源技术（如超连续谱激光、量子点光源）在旋光仪中的应用，开发智能化的光源监控与自动校准系统。同时，结合机器学习算法，建立更精准的误差预测模型，实现旋光仪测量性能的持续优化，为高精度光学计量提供技术支撑。

参考文献：

[1] 卢敏萍，范晓辉，莫旖，等.旋光仪及旋光糖量计计量比对研究[J].中国测试，2023，49（S2）：171-176.

[2] 杨子轩，王文权，王子赟，等.基于分光计的旋光仪搭建与溶液旋光度的测量[J].大学物理实验，2022，35（03）：81-84+112.

[3] 徐 凯 欣 . 旋 光 仪 旋 光 度 示 值 误 差 的 测 量 不 确 定 度 评 定 [J]. 山 东 冶金，2021，43（04）：76-77.

[4] 厉桂华，丛晓燕，张红，等.两种旋光仪测量葡萄糖溶液浓度的教学研究[J].大学物理实验，2021，34（02）：48-51.

[5] 李昕，潘忠泉，杨欣欣，等.旋光仪及旋光糖量计检定用标准旋光管研制[J].化学分析计量，2020，29（S1）：106-110.