СПОСОБ ВИЗУАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОРМ ПОЛЯРИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD FOR VISUAL DETERMINATION OF OPTICAL RADIATION POLARISATION FORM

Изобретение относится к области исследований кристаллохимической и магнитной структуры твердых тел, строения биологических объектов, а также сред, обладающих естественной или наведенной оптической анизотропией, оптическими методами и предназначено для анализа и контроля поляризации используемого излучения.
Знание форм поляризации излучения важно при проведении исследований оптическими методами. Известны фотометрический и визуальный способы определения форм поляризации оптического излучения.
В основе фотометрического способа определения форм поляризации оптического излучения лежит явление фотоэффекта. По величине измеренной интенсивности судят о форме поляризации излучения (эллиптической, циркулярной, линейной). Фотометрический способ позволяет определить формы поляризации оптического излучения с большой степенью достоверности, но требует дорогостоящих стационарных установок и значительных затрат времени.
В основе визуального способа определения форм поляризации оптического излучения лежит явление интерференции. По виду интерференционной картины судят о форме поляризации оптического излучения. Визуальный способ позволяет определить формы поляризации оптического излучения с большой степенью достоверности и не требует дорогостоящих стационарных установок и значительных затрат времени, являясь экспресс-методом определения форм поляризации оптического излучения.
Известен визуальный способ определения форм поляризации оптического излучения, основанный на изменении интенсивности исследуемого излучения [Волкова, Е.А. Поляризационные измерения / Е.А.Волкова. - М.: издательство стандартов, 1974. - 156 с.].
Для определения поляризации излучения используют оптическую систему, содержащую установленные перпендикулярно оси оптической системы и последовательно расположенные анализатор и экран.
Способ определения форм поляризации оптического излучения заключается в пропускании исследуемого параллельного пучка излучения вдоль оси оптической системы через анализатор на экран и сравнении изменения интенсивности светового пятна на экране в процессе поворота анализатора вокруг оси оптической системы, по которому судят о форме поляризации оптического излучения.
Исследуемый параллельный пучок оптического излучения, пройдя через анализатор, становится линейно поляризованным излучением и создает на экране световое пятно. При повороте анализатора изменяется проекция вектора Е излучения на ось пропускания анализатора и, как следствие, интенсивность светового пятна на экране. Определение поляризации исследуемого оптического излучения осуществляют путем сравнения изменений интенсивности светового пятна на экране в процессе поворота анализатора.
Уменьшение интенсивности светового пятна на экране до минимального значения, равного нулю, свидетельствует о линейной поляризации исследуемого оптического излучения. В линейно поляризованном излучении вектор Е всегда лежит в плоскости, перпендикулярной лучу. При повороте анализатора существует такое положение анализатора, при котором вектор Е совмещается с осью пропускания анализатора. При этом на выходе из анализатора получается линейно поляризованное излучение с тем же модулем вектора Е, что и в исследуемом излучении до анализатора. Интенсивность светового пятна на экране имеет максимальное значение. Кроме того, существует такое положение анализатора, при котором его ось пропускания перпендикулярна вектору Е. При этом на выходе из анализатора получается линейно поляризованное излучение с вектором Е=0. Интенсивность светового пятна на экране имеет минимальное значение, равное нулю.
Уменьшение интенсивности светового пятна на экране до минимального значения, не равного нулю, свидетельствует об эллиптической поляризации исследуемого оптического излучения. В эллиптически поляризованном излучении вектор Е описывает эллипс в плоскости, перпендикулярной лучу, изменяясь по модулю от максимума вдоль большой оси эллипса до минимума вдоль малой оси эллипса поляризации. При повороте анализатора в излучении всегда существует максимальный по модулю вектор Е, совмещенный с осью пропускания анализатора, на выходе из которого получается линейно поляризованное излучение с вектором Е, модуль которого равен максимальному модулю вектора Е исследуемого излучения до анализатора. Это приводит к тому, что интенсивность светового пятна на экране имеет максимальное значение. При повороте анализатора в излучении всегда существует минимальный по модулю вектор Е, совмещенный с осью пропускания анализатора, на выходе из которого получается линейно поляризованное излучение с вектором Е, модуль которого равен минимальному модулю вектора Е исследуемого излучения до анализатора. Это приводит к тому, что интенсивность светового пятна на экране имеет минимальное значение, не равное нулю.
Отсутствие изменения интенсивности светового пятна на экране свидетельствует либо о исследуемом естественном излучении, либо о циркулярно поляризованном излучении. В естественном излучении (в силу равновероятной радиальной направленности в любой момент времени) вектор Е также как и в циркулярно поляризованном излучении является постоянным по модулю. При повороте анализатора в излучении всегда существует вектор Е, совмещенный с осью пропускания анализатора, на выходе из которого получается линейно поляризованное излучение с вектором Е, модуль которого равен модулю вектора Е исследуемого излучения до анализатора. Это приводит к тому, что интенсивность светового пятна на экране не изменяется.
Таким образом, известный способ определения форм поляризации оптического излучения позволяет определить только линейно и эллиптически поляризованное излучение и не позволяет определить естественное и циркулярно поляризованное излучение.
Недостатком известного способа определения форм поляризации оптического излучения является определение только некоторых форм поляризации излучения, что ограничивает функциональные возможности использования известного способа.
Наиболее близким по сущности к заявляемому решению является визуальный способ определения форм поляризации оптического излучения, основанный на изменении интерференционной (коноскопической) картины от исследуемого излучения [Оптические свойства кристаллов / А.Ф.Константинова, [и др.]. - Минск.: Наука и техника, 1995. - 302 с.].
Для определения поляризации излучения используют оптическую систему, содержащую установленные перпендикулярно оси оптической системы и последовательно расположенные кристаллическую пластинку, анализатор и экран.
Способ определения форм поляризации оптического излучения заключается в выборе кристаллической пластинки с оптической осью в плоскости ее входной грани, пропускании исследуемого расходящегося пучка излучения вдоль оси оптической системы через кристаллическую пластинку и анализатор на экран и сравнении изменения интерференционной (коноскопической) картины на экране в процессе поворота анализатора вокруг оси оптической системы, по которому судят о форме поляризации оптического излучения.
о
е
Каждый луч исследуемого расходящегося пучка излучения в кристаллической пластинке разбивается на обыкновенный с вектором Е и необыкновенный с вектором Е.
При естественном излучении обыкновенный и необыкновенный лучи являются некогерентными между собой (фазовый сдвиг Δ≠const), и поэтому на выходе из пластинки излучение остается естественным. На выходе анализатора все лучи расходящегося пучка становятся линейно поляризованными с одинаковыми векторами Е вследствие того, что в каждом луче естественного излучения всегда существует вектор Е, совмещенный с осью пропускания анализатора. Каждый луч в своем направлении создает одинаковую интерференционную картину (максимум) на экране. Результатом суммирования интерференционных максимумов является интерференционная (коноскопическая) картина в виде светового пятна равномерной интенсивности.
При повороте анализатора проекция вектора Е излучения на ось пропускания анализатора не изменяется. Поэтому каждый луч в своем направлении создает ту же интерференционную картину на экране, что и до поворота, и результирующая интерференционная картина на экране остается без изменения. Отсутствие изменения интенсивности светового пятна на экране свидетельствует об исследуемом естественном излучении.
При любом поляризованном излучении (эллиптическом, циркулярном, линейном) обыкновенный и необыкновенный лучи, являясь когерентными между собой, набирают в пластинке соответствующий углу падения фазовый сдвиг Δ=const. В зависимости от величины фазового сдвига на выходе из пластинки обыкновенный и необыкновенный компоненты каждого луча, складываясь, в каждом направлении создают определенную форму поляризации излучения: или эллиптическую, или циркулярную, или линейную. Пройдя через анализатор, все лучи становятся линейно поляризованными с разными по модулю векторами Е. Поэтому каждый луч создает свою интерференционную картину (максимум или минимум) на экране. Результатом суммирования интерференционных максимумов и минимумов является интерференционная (коноскопическая) картина в виде двух систем гипербол.
При повороте анализатора проекция вектора Е каждого луча на ось пропускания анализатора изменяется по своему закону, и на выходе из анализатора каждый линейно поляризованный луч имеет вектор Е, отличный по модулю от значения модуля вектора Е до анализатора, и на экране дает интерференционную картину с другими максимумами или минимумами. Результатом суммирования измененных интерференционных максимумов и минимумов остается интерференционная (коноскопическая) картина в виде двух систем гипербол с меньшей контрастностью, которая при дальнейшем повороте анализатора уменьшается до нуля. На экране наблюдается интерференционная (коноскопическая) картина в виде светового пятна равномерной интенсивности. Изменение интерференционной (коноскопической) картины на экране свидетельствует о поляризации исследуемого излучения.
Таким образом, известный способ определения форм поляризации оптического излучения позволяет определить только состояние поляризации и выделить естественное и поляризованное излучение без определения форм его поляризации.
Недостатком известного способа определения форм поляризации оптического излучения является ограничение функциональных возможностей использования известного способа, обусловленное определением только состояния поляризации.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке способа определения форм поляризации оптического излучения, расширяющего функциональные возможности использования за счет определения не только состояния поляризации, но и всех форм поляризации оптического излучения.
Для решения поставленной задачи в способе визуального определения форм поляризации оптического излучения, заключающегося в пропускании исследуемого излучения через кристаллическую пластинку и анализатор и в получении интерференционной картины при вращении анализатора на экране, по которой судят о состоянии поляризации исследуемого излучения, в качестве кристаллической пластинки выбирают пластинку любой оптической активности с входной гранью перпендикулярной оптической оси, через которую пропускают расходящийся пучок излучения, ось которого совпадает с оптической осью кристаллической пластинки, и при получении на экране светового пятна равномерной интенсивности делают вывод об отсутствии поляризации излучения, при получении на экране в случае оптически неактивной пластинки черного «мальтийского креста» на фоне концентрических колец-изохром одинаковой интенсивности делают вывод о линейной поляризации излучения, светлого «мальтийского креста» с двумя черными точками в центре между ветвями креста на фоне колец-изохром с интенсивностью, изменяющейся в каждом кольце от максимума к минимуму при переходе через ветви «мальтийского креста» - о циркулярной поляризации излучения, черного «мальтийского креста» с разрывом в центре на две части на фоне колец-изохром с интенсивностью, изменяющейся в каждом кольце от максимума к минимуму при переходе через ветви «мальтийского креста» - об эллиптической поляризации излучения, при получении на экране в случае оптически активной пластинки центрального светового пятна равномерной интенсивности и черного «мальтийского креста» на периферии концентрических колец-изохром одинаковой интенсивности делают вывод о линейной поляризации излучения, центрального светового пятна равномерной интенсивности и одной ветви светлого «мальтийского креста» на периферии спиралевидных изохром одинаковой интенсивности - о циркулярной поляризации излучения, центрального светового пятна равномерной интенсивности и одной ветви черного «мальтийского креста» на периферии спиралевидных изохром с интенсивностью, изменяющейся в каждой спирали от максимума к минимуму при переходе через ветвь «мальтийского креста» - об эллиптической поляризации излучения.
Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «новизна».
Причинно-следственная связь «Выбор пластинки любой оптической активности с входной гранью, перпендикулярной оптической оси, пропускание через нее расходящегося пучка излучения и определение формы поляризации оптического излучения и оптической активности пластинки по определенной коноскопической картине расширяет функциональные возможности» является новой, так как не выявлена в результате поиска по источникам научно-технической и патентной литературы. Следовательно, она явным образом не следует из уровня техники, что свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «изобретательский уровень»,
На чертеже представлена схема оптической системы для осуществления способа определения форм поляризации оптического излучения.
Способ определения форм поляризации оптического излучения осуществляют следующим образом.
Для определения форм поляризации оптического излучения используют оптическую систему, содержащую установленные перпендикулярно оси оптической системы и последовательно расположенные кристаллическую пластинку 1, анализатор 2 и экран 3.
В качестве кристаллической пластинки 1 выбирают пластинку с любой оптической активностью и с входной гранью, перпендикулярной ее оптической оси. Исследуемое излучение пропускают через кристаллическую пластинку 1 и анализатор 2 в виде расходящегося пучка излучения вдоль оптической оси кристаллической пластинки 1 на экран 3, получая на нем интерференционную (коноскопическую) картину. Затем поворачивают анализатор 2 вокруг оси оптической системы до появления определенной коноскопической картины, которая обуславливается формой поляризации и свойствами оптической активности кристаллической пластинки 1.
3
2
4
Пример 1. В качестве кристаллической пластинки 1 выбирают оптически неактивную кристаллическую пластинку (ниобат лития LiNbO; дейтерированный дигидрофосфат калия (DKDP) KDPO), собственными волнами которой являются две линейно поляризованные волны с поляризацией, ортогональной друг к другу [Оптические свойства кристаллов / А.Ф.Константинова, [и др.]. - Минск.: Наука и техника, 1995. - С.180].
о
е
Каждый луч исследуемого расходящегося пучка излучения (кроме луча в направлении оси оптической системы) в кристаллической пластинке 1 разбивается на обыкновенный луч с вектором Е и необыкновенный с вектором Е.
о
е
При естественном излучении обыкновенный и необыкновенный лучи излучения являются некогерентными между собой (фазовый сдвиг Δ≠const), и поэтому кристаллическая пластинка 1, добавляя фазовый сдвиг между Е и Е в каждом направлении, не влияет на когерентность лучей, оставляя их некогерентными. Потому на выходе из кристаллической пластинки 1 излучение остается естественным. После анализатора 2 все лучи расходящегося пучка становятся линейно поляризованными с одинаковыми векторами Е вследствие того, что в каждом луче естественного излучения всегда существует равновероятное направление вектора Е, совмещенное с осью пропускания анализатора 2. Каждый луч в своем направлении создает одинаковую интерференционную картину (максимум) на экране 3. Результатом суммирования интерференционных максимумов является интерференционная (коноскопическая) картина в виде светового пятна равномерной интенсивности.
При повороте анализатора 2 проекция вектора Е излучения на ось пропускания анализатора 2 остается без изменения. Поэтому каждый луч в своем направлении создает ту же интерференционную картину на экране 3, что и до поворота анализатора 2, и результирующая интерференционная картина на экране 3 остается без изменения. На экране 3 наблюдают световое пятно равномерной интенсивности.
При наличии светового пятна на экране 3 до и после поворота анализатора 2, то есть при отсутствии изменения коноскопической картины на экране 3, делают вывод об отсутствии поляризации излучения и о том, что исследуемое излучение является естественным.
1
2
При любом поляризованном излучении обыкновенный и необыкновенный лучи, являясь когерентными между собой и двигаясь с разными скоростями, набирают в кристаллической пластинке 1 соответствующий углу падения фазовый сдвиг Δ=const. Каждому лучу соответствует свой фазовый сдвиг Δ=const, Δ=const и т.д., величина которого зависит от угла падения луча α в расходящемся коническом пучке.
В целом излучение после кристаллической пластинки 1 содержит лучи с различными фазовыми сдвигами. В зависимости от ориентации вектора Е на входе и величины фазового сдвига в кристаллической пластинке 1 на выходе из нее обыкновенный и необыкновенный лучи, складываясь, в каждом направлении создают определенную форму поляризации излучения: или эллиптическую, или циркулярную, или линейную.
Пройдя через анализатор 2, все лучи снова становятся линейно поляризованными, но с разными по модулю векторами Е. Поэтому каждый луч создает свою интерференционную картину (максимум или минимум) на экране 3. Результатом суммирования интерференционных максимумов и минимумов является интерференционная (коноскопическая)картина.
При повороте анализатора 2 проекция вектора Е каждого луча на ось пропускания анализатора 2 изменяется по своему закону, и на выходе из анализатора 2 каждый линейно поляризованный луч имеет вектор Е, отличный по модулю от значения модуля Е до анализатора 2, и на экране 3 дает интерференционную картину с другими максимумами или минимумами. Поворот анализатора 2 осуществляют до получения определенной коноскопической картины, по которой определяют форму поляризации.
При получении коноскопической картины в виде черного «мальтийского креста» на фоне концентрических черных и светлых колец-изохром одинаковой интенсивности делают вывод о том, что исследуемое излучение является линейно поляризованным. При этом каждое кольцо-изохрома, являясь линией одинакового фазового сдвига, соответствует конусу лучей с одинаковым углом падения α. Ветви «мальтийского креста» перпендикулярны друг другу, и одна из ветвей совпадает с осью пропускания анализатора 2.
При получении коноскопической картины в виде светлого «мальтийского креста» с двумя черными точками в центре между ветвями креста на фоне колец-изохром с интенсивностью, изменяющейся в каждом кольце от максимума к минимуму при переходе через ветви «мальтийского креста», делают вывод о том, что исследуемое излучение является циркулярно поляризованным. При этом кольца-изохромы делятся ветвями слабо выраженного «мальтийского креста» на четыре части. При переходе через ветви «мальтийского креста» интенсивность каждой 1/4 части изохромы последовательно изменяется с минимальной на максимальную и наоборот.
При получении коноскопической картины в виде черного «мальтийского креста» с разрывом в центре на две части на фоне колец-изохром с интенсивностью, изменяющейся в каждом кольце от максимума к минимуму при переходе через ветви «мальтийского креста», делают вывод о том, что исследуемое излучение является эллиптически поляризованным. При этом в центре картины обе части черного «мальтийского креста» имеют вид непрямых углов, вершины которых не соприкасаются. Кольца-изохромы делятся ветвями разорванного «мальтийского креста» на четыре части. При переходе через ветви «мальтийского креста» интенсивность каждой 1/4 части изохромы последовательно изменяется с минимальной на максимальную и наоборот.
Наличие «мальтийского креста» в неактивном кристалле по всей области коноскопической картины для всех форм поляризации оптического излучения обусловлено следующим. В расходящемся пучке излучения всегда существуют лучи, главные плоскости которых перпендикулярны, а вектора Е лучей, лежащих в этих плоскостях, параллельны друг к другу. Такие лучи в кристаллической пластинке являются или только обыкновенными, или только необыкновенными и после действия анализатора дают на экране «мальтийский крест».
2
3
Пример 2. В качестве кристаллической пластинки 1 выбирают оптически активную кристаллическую пластинку (парателлурит ТеО; иодат лития LilO). Собственными волнами оптически активных кристаллов являются две эллиптически поляризованные волны с поляризацией, ортогональной друг другу [Оптические свойства кристаллов / А.Ф.Константинова, [и др.]. - Минск.; Наука и техника, 1995. - С.183]. Оптическая активность таких кристаллов проявляется в направлениях, близких к оптической оси кристаллической пластинки в пределах углов от 0° до 5-7°.
При естественном излучении изменение коноскопической картины на экране 3 прошедшего через пластинку 1 излучения до и после поворота анализатора 2 отсутствует, в силу одинакового влияния на естественное излучение (описанного в примере 1) как оптически неактивной, так и активной пластинки. Поэтому при наличии светового пятна на экране 3 до и после поворота анализатора 2, то есть при отсутствии изменения коноскопической картины на экране 3 делают вывод об отсутствии поляризации излучения и о том, что исследуемое излучение является естественным.
При любом поляризованном излучении преобразование лучей в периферийной области происходит, как в неактивном кристалле с собственными линейно поляризованными волнами. Поэтому в периферийной области коноскопической картины всегда наблюдается «мальтийский крест» на фоне изохром.
В области, близкой к оптической оси оптически активной кристаллической пластинки 1, расходящийся пучок излучения с любой поляризацией всегда имеет лучи с векторами Е или проекциями векторов Е, главные плоскости которых перпендикулярны, а вектора Е лучей, лежащих в этих плоскостях или их проекции, параллельны друг к другу. Благодаря эллиптическому двулучепреломлению пластинки эти лучи на выходе из нее имеют эллиптическую поляризацию и после действия анализатора 2 дают на экране световое пятно.
Кроме того, оптическая активность вследствие эллиптического двулучепреломления влияет на форму изохром, изменяя их кольцевую форму на спиралевидную.
Поворот анализатора 2 осуществляют до получения определенной коноскопической картины, по которой определяют форму поляризации.
При получении коноскопической картины в виде центрального светового пятна равномерной интенсивности и черного «мальтийского креста» на периферии концентрических колец-изохром одинаковой интенсивности делают вывод о том, что исследуемое излучение является линейно поляризованным.
При получении коноскопической картины в виде центрального светового пятна равномерной интенсивности и одной ветви светлого «мальтийского креста» на периферии спиралевидных изохром одинаковой интенсивности делают вывод о том, что исследуемое излучение является циркулярно поляризованным.
При получении коноскопической картины в виде центрального светового пятна равномерной интенсивности и одной ветви черного «мальтийского креста» на периферии спиралевидных изохром с интенсивностью, изменяющейся в каждой спирали от максимума к минимуму при переходе через ветвь «мальтийского креста», делают вывод о том, что исследуемое излучение является эллиптически поляризованным.
3
2
4
2
3
Эксперимент проведен в научно-исследовательской лаборатории оптики на кафедре физики ДВГУПС. При проведении эксперимента в оптической системе в качестве исследуемого естественного излучения использовано излучение лампы накаливания, в качестве исследуемого поляризованного излучения - излучение гелий-неонового лазера с длиной волны 0,6328 мкм с различными формами поляризации, полученными с помощью поляроида ПФ36 и кварцевой фазовой пластинки λ/4. В качестве оптически неактивной кристаллической пластинки выбрана пластинка, вырезанная перпендикулярно оптической оси из кристалла ниобата лития (LiNbO) толщиной порядка 10 мм или из кристалла, дейтерированного дигидрофосфата калия (KDPO) толщиной порядка 1 мм. В качестве оптически активной кристаллической пластинки выбрана пластинка, вырезанная перпендикулярно оптической оси из кристалла парателлурита (TeO) толщиной порядка 3 мм или из кристалла иодата лития (LilO) толщиной порядка 1 мм. В качестве анализатора использован поляроид ПФ36. Результаты эксперимента зафиксированы цифровой фотокамерой «Practica».
Виды коноскопических картин, соответствующих определенной форме поляризации оптического излучения, приведены в таблице. Для сравнения в таблице приведены коноскопические картины этих же исследуемых пучков, полученных по способу-прототипу.