一种基于圆偏振物光波数字全息术的光学活性及圆二色性二维分布测量方法

本发明涉及手性测量领域，尤其涉及同时测量手性样品光学活性及圆二色性二维分布的领域。

背景技术：

1、手性是指物体与其镜像无论经何种变换或旋转均无法重合的特性。手性物质广泛存在于自然界中，如糖类、氨基酸、dna、药物等均具有手性，对手性物质的研究在工业、化学、医药等领域发挥着重要作用。手性物质与不同手性圆偏振光的相互作用将产生圆双折射和圆二色性。手性物质与线偏振光相互作用时，圆双折射效应将表现为旋光效应，可以产生圆双折射/旋光效应的手性特征亦称为光学活性。测量不同波长下手性物质的光学活性和圆二色性可分别获得光旋转色散和圆二色性谱，其可以提供丰富的手性物质内部结构信息。作为表征和检测手性物质的重要光学手段，用于测量光旋转色散和圆二色性谱的商业化仪器得到了快速发展，并已在生物医学、制药、材料科学等领域获得广泛应用。

2、为获取样品手性信号的空间分布信息，基于圆二色性探测的宽场成像、共聚焦成像、二次谐波产生成像、双光子发光成像和近场扫描成像等成像手段被提出。然而，这些手性分布成像手段均受限于较弱的光-手性物质相互作用，导致成像衬比度较低，并且仅能获取手性样品的圆二色性分布信息。需要说明的是，虽然手性物质的光学活性可通过k-k关系由测量的圆二色性转换得到，但这种转换基于光谱信息之间的转换。因此，单波长下光学活性和圆二色性的二维分布必须分别进行测量。迄今为止，对手性样品光学活性及圆二色性二维分布同时动态测量的技术手段鲜有报道。

3、理论上讲，无论是光学活性还是圆二色性，其最终反映在手性物质对光波振幅、相位和(或)偏振态的调制。只要可以定量测量被不同手性参量调制的物光波复振幅和偏振分布，便可实现对手性样品全部手性信号分布的同时解调。而数字全息术可实现对光场复振幅分布的全场、非接触、高精度和动态测量，为此，本发明提出利用数字全息术测量手性参量分布的方法。

技术实现思路

1、要解决的技术问题

2、为解决手性样品光学活性及圆二色性二维分布无法同时测量的问题，本发明提出一种基于圆偏振物光波的数字全息术同时动态测量手性样品光学活性及圆二色性二维分布的方法。

3、技术方案

4、本发明的思想在于：手性样品的光学活性、圆二色性分别反映在折射率实部、虚部对左、右旋圆偏振光的差异上，分别表现为穿过手性样品的两种旋性圆偏振光的光程、吸收不同。依次令左、右旋圆偏振光穿过手性样品并作为物光波，与同一参考光波发生干涉，利用二次曝光数字全息干涉术，测量两种旋性圆偏振光照射下物光波的相位差以及强度差，便可同时定量测量手性样品光学活性及圆二色性二维分布。

5、一种基于圆偏振物光波数字全息术的光学活性及圆二色性二维分布测量方法，其特征在于包括如下步骤：

6、步骤1：一束左旋圆偏振平行光以垂直照射方式穿过手性样品，出射光作为物光波到达光电成像器件靶面；

7、所述平行光为可见光，波长为λ，手性样品的几何长度为l(x,y)，手性样品对左旋圆偏振光的折射率分布为nlcpl(x,y)、吸收率分布为alcpl(x,y)；所述(x,y)表示样品的二维空间坐标；

8、步骤2：与步骤1中物光波相干的另一束平行光作为参考光波，以一定夹角与物光波在光电成像器件靶面上重叠并发生干涉，由光电成像器件记录得到数字全息图h1；

9、所述一定夹角大小为2～3度；

10、步骤3：利用圆偏振光产生单元将步骤1中物光波变为右旋圆偏振光，由光电成像器件记录得到数字全息图h2；

11、所述圆偏振光产生单元是四分之一波片，或电控可变延迟波片；

12、所述手性样品对右旋圆偏振光的折射率分布为nrcpl(x,y)、吸收率分布为arcpl(x,y)；

13、步骤4：根据标量衍射理论，利用计算机数值算法对全息图h1和h2分别进行数值重建，获得左、右旋圆偏振物光波的复振幅分布，进一步，将自h2重建的物光波相位分布与自h1重建的物光波相位分布作差，得到物光波的相位差分布δφ(x,y)；将自h2重建的物光波强度分布与自h1重建的物光波强度分布作差，得到物光波的强度差分布δι(x,y)；

14、步骤5：由步骤4获得的相位差分布δφ(x,y)＝2π[nlcpl(x,y)-nrcpl(x,y)]l(x,y)/λ，强度差分布δι(x,y)＝arcpl(x,y)-alcpl(x,y)；

15、所述nlcpl(x,y)-nrcpl(x,y)、alcpl(x,y)-arcpl(x,y)分别反映的是手性样品的光学活性和圆二色性二维分布信息。

16、有益效果

17、本发明提出的利用圆偏振物光波数字全息术同时测量手性样品光学活性及圆二色性二维分布的方法，利用手性样品对圆偏振光振幅和相位的调制特性，以及借助数字全息术对光场复振幅分布的全场、非接触、高精度动态测量优势，采用简单的数字全息术光路，便可解决手性样品光学活性及圆二色性的同时测量问题。所涉及方法简便，并且可以实现两种手性参量二维分布的动态测量。

技术特征：

1.一种基于圆偏振物光波数字全息术的光学活性及圆二色性二维分布测量方法，其特征在于包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种利用圆偏振物光波数字全息术同时动态测量手性样品光学活性及圆二色性二维分布的方法。利用手性样品对左、右旋圆偏振光振幅和相位的调制特性，借助数字全息术对光场复振幅分布的全场、非接触、高精度动态测量优势，分别将左、右旋圆偏振光作为物光波，采用二次曝光数字全息术便可实现手性样品光学活性及圆二色性二维分布的同时动态测量。

技术研发人员：张继巍,张佳伟,赵建林
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12