СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ЗНАКА КРИСТАЛЛА
METHOD FOR DETERMINATION OF OPTICAL SIGN OF CRYSTAL

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к преобразователям оптического излучения, преобразователям теплового изображения в кристаллах, приборам для измерения оптических характеристик в зависимости от оптического знака кристалла.
Общеизвестно, что кристаллы, в которых скорость распространения обыкновенных лучей больше, чем необыкновенных, имеют положительный оптический знак. Кристаллы, в которых скорость распространения обыкновенных лучей меньше, чем необыкновенных, имеют отрицательный оптический знак.
Определение оптического знака кристаллов с различной ориентацией оптической оси основано на измерении и визуальном сравнении различных оптических параметров.
Достоверность определения оптического знака кристалла зависит от вида излучения и оптических характеристик кристалла (ориентации, осности, оптической активности, величины двулучепреломления и толщины кристалла), которые влияют на вид интерференционной (коноскопической) картины.
Проблема определения оптического знака кристалла заключается в необходимости снижения негативного влияния его оптических характеристик, влияющих на достоверность определения оптического знака любых кристаллов.
Известен способ для определения оптического знака кристалла, основанный на сравнении углов преломления обыкновенного и необыкновенного лучей [1].
Способ определения оптического знака кристалла заключается в том, что в оптической системе, содержащей последовательно расположенные источник монохроматического излучения, поляризатор, призму из исследуемого кристалла, анализатор и экран, установленные перпендикулярно оси оптической системы, монохроматическое излучение пропускают вдоль оси оптической системы. В результате на экране получают две светлые точки. Затем для определения вида луча проводят наблюдение за изменением интенсивности каждой точки на экране при вращении анализатора.
Для каждой точки при уменьшении ее интенсивности на экране при некотором положении анализатора до минимального значения, равного нулю, делают вывод о линейной поляризации луча с направлением вектора Е, перпендикулярным оси пропускания анализатора.
Зная расположение главной плоскости призмы, устанавливают, совпадает ли вектор Е каждого луча с главной плоскостью призмы.
При расположении вектора Е луча перпендикулярно главной плоскости призмы делают вывод, что исследуемый луч является обыкновенным. При расположении вектора Е луча в главной плоскости призмы делают вывод, что исследуемый луч является необыкновенным.
е
o
е
o
е
o
Далее для определения оптического знака кристалла измеряют угол отклонения каждого луча α и α от нормали к выходной грани призмы с последующим их сравнением. По углам отклонения обыкновенного и необыкновенного лучей от нормали к выходной грани призмы судят об оптическом знаке исследуемого кристалла. При α>α исследуемый кристалл имеет положительный оптический знак. При α<α исследуемый кристалл имеет отрицательный оптический знак.
Достоинством известного способа является достоверность определения оптического знака для кристаллов с большим двулучепреломлением, имеющих как положительный, так и отрицательный оптический знак.
Это обусловлено значительной величиной угла между обыкновенным и необыкновенным лучами на выходе из призмы, что позволяет определить вид лучей и сравнить их углы отклонения от нормали.
Недостатком является ограничение области применения.
Во-первых, определить оптический знак кристалла можно только при параллельном излучении.
При сходящемся излучении на выходе из призмы с любым двулучепреломлением пучки обыкновенных и необыкновенных лучей, смешиваясь, проецируются на экран в виде общего пятна. Это пятно при вращении анализатора слабо меняет интенсивность, что не позволяет определить вид лучей и сравнить их углы отклонения от нормали.
Во-вторых, определить оптический знак кристалла можно только для кристаллов с большим двулучепреломлением.
Для кристаллов с малым двулучепреломлением обыкновенный и необыкновенный лучи на выходе из призмы практически сливаются, что не позволяет определить вид лучей и сравнить их углы отклонения от нормали.
Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является способ определения оптического знака кристалла [2], который основан на изменении коноскопической картины исследуемого кристалла и который устраняет недостатки вышеописанного аналога.
Для определения оптического знака кристалла используют оптическую систему, содержащую установленные перпендикулярно оси оптической системы и последовательно расположенные источник монохроматического излучения, поляризатор, плоскопараллельную кристаллическую пластинку с положительным оптическим знаком и оптической осью, перпендикулярной к ее входной грани, установленную с возможностью ее поворота вокруг вертикальной оси, рассеиватель, исследуемую кристаллическую пластинку с оптической осью, перпендикулярной к ее входной грани, анализатор и экран.
Способ определения оптического знака кристалла заключается в следующем.
1
1
Вначале параллельное монохроматическое излучение пропускают вдоль оси оптической системы через поляризатор, который преобразует излучение в параллельное монохроматическое линейно-поляризованное излучение. Далее преобразованное излучение направляют через плоскопараплельную кристаллическую пластинку с положительным оптическим знаком на рассеиватель, который преобразует параллельное излучение в сходящееся. Затем такое излучение подают на исследуемую кристаллическую пластинку, в которой обыкновенный и необыкновенный лучи, двигаясь с разными скоростями, приобретают фазовый сдвиг Δ. Величина фазового сдвига Δ зависит от угла падения луча α в сходящемся пучке на входную грань исследуемой кристаллической пластинки и определяется длиной пути d/cosα. В целом сходящееся излучение после исследуемой кристаллической пластинки содержит лучи с различными фазовыми сдвигами между обыкновенным и необыкновенным лучами.
Далее такое излучение пропускают через анализатор, после которого все лучи с различными фазовыми сдвигами становятся линейно-поляризованными с направлением вектора Е, параллельным оси пропускания анализатора. На экране наблюдают одну четкую коноскопическую картину исследуемой кристаллической пластинки, которая представляет собой систему концентрических черных и светлых колец-изохром с центром на оси системы с черным «мальтийским крестом». Стороны «мальтийского креста» совпадают с осями пропускания поляризатора и анализатора и делят поле картины на четыре квадранта.
Далее плоскопараллельную пластинку с положительным оптическим знаком поворачивают вокруг вертикальной оси для изменения коноскопической картины исследуемой кристаллической пластинки. При повороте нормаль к пластинке отклоняется от направления излучения на угол β, при этом увеличивается длина пути, пройденного параллельным излучением, до значения d/cosβ. Обыкновенный и необыкновенный лучи в плоскопараллельной пластинке с положительным оптическим знаком приобретают дополнительный фазовый сдвиг Δ'.
1
Общий фазовый сдвиг для данного угла падения луча на выходе из кристаллической пластинки Δ зависит от непрерывно изменяющегося значения Δ' и постоянной величины Δ.
При этом наблюдают непрерывное смещение изохром на коноскопической картине исследуемой кристаллической пластинки.
Оптический знак кристалла определяют по направлению смещения изохром по отношению к центру коноскопической картины.
При смещении колец-изохром от центра к периферии в горизонтальных квадрантах и смещении колец-изохром от периферии к центру в двух других противоположных квадрантах делают вывод о положительном оптическом знаке исследуемой кристаллической пластинки.
При смещении колец-изохром от периферии к центру в горизонтальных квадрантах и смещении колец-изохром от центра к периферии в двух других противоположных квадрантах делают вывод об отрицательном оптическом знаке исследуемой кристаллической пластинки.
Достоинством известного способа определения оптического знака кристалла является расширение функциональных возможностей способа определения оптического знака кристалла.
Во-первых, известный способ позволяет определить в любом сходящемся пучке излучения оптический знак кристалла. Это обусловлено тем, что обыкновенный и необыкновенный лучи в каждом направлении сходящегося пучка излучения интерферируют между собой, результатом чего является черное или светлое пятно в точке коноскопической картины, соответствующей данному направлению.
Во-вторых, известный способ позволяет определить оптический знак для кристаллов с любой величиной двулучепреломления. Это обусловлено тем, что величина двулучепреломления кристалла влияет только на масштаб коноскопической картины, не меняя в целом ее вида.
Однако достоверность определения оптического знака является низкой. Это обусловлено тем, что определение оптического знака осуществляется по смещению изохром в коноскопической картине, непрерывно изменяющейся вследствие поворота плоскопараллельной пластинки с положительным оптическим знаком, из-за непрерывного преобразования поляризации луча, падающего на исследуемую кристаллическую пластинку. При этом происходит непрерывное искажение центральной части коноскопической картины и образование в ней ряби. Периферическая часть коноскопической картины является затемненной, недостаточно четкой и контрастной.
Вследствие того, что смещение изохром наблюдают только в ограниченной для наблюдения периферической части коноскопической картины, снижается достоверность определения оптического знака исследуемого кристалла.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке способа определения оптического знака кристалла по коноскопической картине, который позволяет повысить достоверность определения оптического знака кристалла благодаря получению четко видимой коноскопической картины в пределах всего поля зрения и который расширяет функциональные возможности по определению оптического знака кристалла.
Для решения поставленной задачи в способе определения оптического знака кристалла в оптической системе, содержащей установленные перпендикулярно оси оптической системы источник монохроматического излучения, поляризатор, плоскопараллельную кристаллическую пластинку с положительным оптическим знаком и оптической осью, перпендикулярной к ее входной грани, рассеиватель, исследуемую кристаллическую пластинку с оптической осью, перпендикулярной к ее входной грани, анализатор и экран, заключающемся в пропускании монохроматического излучения через систему и получении коноскопической картины, по которой судят об оптическом знаке исследуемой кристаллической пластинки, в системе оптическую ось исследуемой пластинки устанавливают под углом α=10÷40° к оси оптической системы, монохроматическое излучение пропускают последовательно через поляризатор, рассеиватель, плоскопараллельную кристаллическую пластинку, исследуемую кристаллическую пластинку, анализатор на экран, а о знаке исследуемой пластинки судят по появлению на экране дополнительных коноскопических картин: при появлении двух коноскопических картин делают вывод об отрицательном оптическом знаке исследуемой кристаллической пластинки, при появлении трех коноскопических картин делают вывод о положительном оптическом знаке исследуемой кристаллической пластинки.
Заявляемое решение отличается от прототипа тем, что в системе оптическую ось исследуемой пластинки устанавливают под углом α=10÷40° к оси оптической системы, монохроматическое излучение пропускают последовательно через поляризатор, рассеиватель, плоскопараллельную кристаллическую пластинку, исследуемую кристаллическую пластинку, анализатор на экран, а о знаке исследуемой пластинки судят по появлению на экране дополнительных коноскопических картин: при появлении двух коноскопических картин делают вывод об отрицательном оптическом знаке исследуемой кристаллической пластинки, при появлении трех коноскопических картин делают вывод о положительном оптическом знаке исследуемой кристаллической пластинки. Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «новизна».
Установка исследуемой кристаллической пластинки под углом к оси оптической системы и новая последовательность пропускания монохроматического излучения через элементы оптической системы приводят к появлению нескольких коноскопических картин на экране, что является неизвестным в науке обнаруженным свойством материального мира. Наличие нового свойства свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию «изобретательский уровень».
На фиг.1 приведена схема оптической системы для осуществления способа определения оптического знака кристалла.
2
На фиг.2 представлена фотография коноскопической картины при исследовании кристалла парателлурита ТеO.
3
На фиг.3 представлена фотография коноскопической картины при исследовании кристалла йодата лития LiIO
Способ определения оптического знака кристалла осуществляют с помощью оптической системы, которая содержит установленные перпендикулярно оси оптической системы и последовательно расположенные источник монохроматического излучения 1, поляризатор 2, рассеиватель 3, представляющий собой матовую стеклянную пластинку, плоскопараллельную пластинку 4 с положительным оптическим знаком и оптической осью, перпендикулярной ее входной грани, исследуемую плоскопараллельную кристаллическую пластинку 5 с оптической осью, перпендикулярной ее входной грани, анализатор 6 и экран 7.
Способ определения оптического знака кристалла осуществляют следующим образом.
Предварительно в оптической системе исследуемую плоскопараллельную кристаллическую пластинку 5 ориентируют под углом α=10÷40° к ее оси.
Параллельное монохроматическое излучение направляют вдоль оси оптической системы на поляризатор 2, который преобразует излучение в монохроматическое линейно-поляризованное излучение с направлением вектора Е, параллельным оси пропускания поляризатора 2.
После поляризатора 2 преобразованное излучение направляют на рассеиватель 3, который преобразует параллельное излучение в сходящееся.
о
е
o
e
е
o
е
о
Далее сходящееся излучение подают на плоскопараллельную пластинку 4 толщиной d, в которой оно разбивается в каждом направлении (кроме направления оси оптической системы) на два луча - обыкновенный и необыкновенный с амплитудами колебаний векторов Е и E, с разными скоростями u≠u. Обыкновенный и необыкновенный лучи, двигаясь с разными скоростями, приобретают на выходе из плоскопараллельной пластинки 4 фазовый сдвиг Δ=(n-n)d/cosα. Величина фазового сдвига Δ определяется длиной пути d/cosα, зависящей от угла падения луча α в сходящемся коническом пучке на входную грань плоскопараллельной пластинки 4, и разностью показателей преломления (n-n). В целом излучение после плоскопараллельной пластинки 4 содержит лучи с различными фазовыми сдвигами.
1
о
е
o
e
1
е
o
1
1
Затем преобразованное излучение направляют на исследуемую плоскопараллельную кристаллическую пластинку 5 толщиной d, в которой пучок лучей с различными фазовыми сдвигами также разбивается в каждом направлении на два луча - обыкновенный и необыкновенный с амплитудами колебаний векторов E и Е, с разными скоростями u≠u. Обыкновенный и необыкновенный лучи, двигаясь с разными скоростями, приобретают на выходе из плоскопараллельной пластинки 5 дополнительный фазовый сдвиг Δ=(n-n)d/cosα. В целом излучение после плоскопараллельной пластинки 5 содержит лучи с различными фазовыми сдвигами (Δ±Δ).
После анализатора 6 лучи с различными фазовыми сдвигами становятся линейно-поляризованными, интерферируют и дают на экране 7 коноскопические картины, являющиеся интерференционными картинами в сходящихся лучах.
Затем наблюдают за количеством коноскопических картин, появившихся на экране 7. При появлении двух коноскопических картин делают вывод об отрицательном оптическом знаке исследуемой кристаллической пластинки 5. При появлении трех коноскопических картин делают вывод о положительном оптическом знаке исследуемой кристаллической пластинки 5.
2
При установке оптической оси исследуемой пластинки 5 на угол 0°<α<10° с осью оптической системы наблюдают одну размытую коноскопическую картину. При установке оптической оси исследуемой пластинки 5 на угол α>40° с осью оптической системы коноскопическая картина исследуемой кристаллической пластинки 5 выходит из поля зрения, и наблюдают только одну коноскопическую картину. Эксперимент проведен в научно-исследовательской лаборатории оптики на кафедре физики ДВГУПС. При проведении эксперимента в оптической системе использован источник монохроматического излучения - гелий-неоновый лазер с длиной волны 0,6328 мкм, в качестве поляризатора и анализатора - поляроиды ПФ36, в качестве плоскопараллельной кристаллической пластинки с положительным оптическим знаком - пластинка, вырезанная из кристалла парателлурита TeO перпендикулярно оптической оси толщиной порядка 3 мм. В качестве исследуемых кристаллов использованы:
2
1) кристалл парателлурита TeO толщиной 3,10 мм, вырезанный перпендикулярно оптической оси. Известно, что кристалл имеет положительный оптический знак [3]. Угол между оптической осью кристалла и осью оптической системы α=10°;
2
2) кристалл парателлурита ТеO толщиной 5,12 мм, вырезанный перпендикулярно оптической оси. Известно, что кристалл имеет положительный оптический знак [3], Угол между оптической осью кристалла и осью оптической системы α=10°;
2
3) кристалл кварца SiO толщиной 3,00 мм, вырезанный перпендикулярно оптической оси. Известно, что кристалл имеет положительный оптический знак [3]. Угол между оптической осью кристалла и осью оптической системы α=10°;
2
4) кристалл кварца SiО толщиной 6,12 мм, вырезанный перпендикулярно оптической оси. Известно, что кристалл имеет положительный оптический знак [3]. Угол между оптической осью кристалла и осью оптической системы α=10°;
3
5) кристалл йодата лития LiIO толщиной 5,94, вырезанный перпендикулярно оптической оси. Известно, что кристалл имеет отрицательный оптический знак [3]. Угол между оптической осью кристалла и осью оптической системы α=10°;
3
6) кристалл йодата лития LiIO толщиной 7,04 мм, вырезанный перпендикулярно оптической оси. Известно, что кристалл имеет отрицательный оптический знак [3]. Угол между оптической осью кристалла и осью оптической системы α=10°;
3
7) кристалл ниобата лития LiNbO толщиной 6,73 мм, вырезанный перпендикулярно оптической оси. Известно, что кристалл имеет отрицательный оптический знак [3]. Угол между оптической осью кристалла и осью оптической системы α=10°;
3
8) кристалл ниобата лития LiNbO толщиной 10,00 мм, вырезанный перпендикулярно оптической оси. Известно, что кристалл имеет отрицательный оптический знак [3]. Угол между оптической осью кристалла и осью оптической системы α=10°;
2
9) кристалл парателлурита ТеO толщиной 3,10 мм, вырезанный перпендикулярно оптической оси. Известно, что кристалл имеет положительный оптический знак [3]. Угол между оптической осью кристалла и осью оптической системы α=40°;
2
10) кристалл кварца SiO толщиной 6,12 мм, вырезанный перпендикулярно оптической оси. Известно, что кристалл имеет положительный оптический знак [3]. Угол между оптической осью кристалла и осью оптической системы α=40°;
3
11) кристалл йодата лития LiIO толщиной 5,94 мм, вырезанный перпендикулярно оптической оси. Известно, что кристалл имеет отрицательный оптический знак [3]. Угол между оптической осью кристалла и осью оптической системы α=40°;
3
12) кристалл ниобата лития LiNbO толщиной 10,00 мм, вырезанный перпендикулярно оптической оси. Известно, что кристалл имеет отрицательный оптический знак [3]. Угол между оптической осью кристалла и осью оптической системы α=40°;
2
13) кристалл парателлурита ТеO толщиной 3,10 мм, вырезанный перпендикулярно оптической оси. Известно, что кристалл имеет положительный оптический знак [3]. Угол между оптической осью кристалла и осью оптической системы α=8°;
2
14) кристалл парателлурита ТеO толщиной 3,10 мм, вырезанный перпендикулярно оптической оси. Известно, что кристалл имеет положительный оптический знак [3]. Угол между оптической осью кристалла и осью оптической системы α=45°;
3
15) кристалл йодата лития LiIO толщиной 5,94 мм, вырезанный перпендикулярно оптической оси. Известно, что кристалл имеет отрицательный оптический знак [3]. Угол между оптической осью кристалла и осью оптической системы α=8°;
3
16) кристалл йодата лития LiIO толщиной 5,94 мм, вырезанный перпендикулярно оптической оси. Известно, что кристалл имеет отрицательный оптический знак [3]. Угол между оптической осью кристалла и осью оптической системы α=45°.
В результате эксперимента получены коноскопические картины, по количеству которых определяют оптический знак исследуемой кристаллической пластинки. Результаты эксперимента зафиксированы цифровой фотокамерой «Practica». Результаты определения оптического знака для различных исследуемых кристаллических пластинках приведены в таблице.
№№ Пп
Исследуемый кристалл
Угол α
Вид коноскопической картины (масштаб 1 см - 8°)
Выводы об оптическом знаке исследуемого кристалла
1
Кристалл парателлурита ТеO<sub>2</sub> толщиной 3,10 мм
α=10°
<img file="00000001.tif" he="13" wi="32" img-content="undefined" img-format="tif" />
Знак исследуемого кристалла положительный
2
Кристалл парателлурита ТеО<sub>2</sub> толщиной 5,12 мм
α=10°
<img file="00000002.tif" he="13" wi="31" img-content="undefined" img-format="tif" />
Знак исследуемого кристалла положительный
3
Кристалл кварца SiO<sub>2</sub> толщиной 3,00 мм
α=10°
<img file="00000003.tif" he="16" wi="33" img-content="undefined" img-format="tif" />
Знак исследуемого кристалла положительный
4
Кристалл кварца SiO<sub>2</sub> толщиной 6,12 мм
α=10°
<img file="00000004.tif" he="15" wi="32" img-content="undefined" img-format="tif" />
Знак исследуемого кристалла положительный
5
Кристалл йодата лития LiIO<sub>3</sub> толщиной 5,94 мм
α=10°
<img file="00000005.tif" he="14" wi="33" img-content="undefined" img-format="tif" />
Знак исследуемого кристалла отрицательный
6
Кристалл йодата лития LiIO<sub>3</sub> толщиной 7,04 мм
α=10°
<img file="00000006.tif" he="16" wi="33" img-content="undefined" img-format="tif" />
Знак исследуемого кристалла отрицательный
7
Кристалл ниобата лития LiNbO<sub>3</sub> толщиной 6,73 мм
α=10°
<img file="00000007.tif" he="15" wi="32" img-content="undefined" img-format="tif" />
Знак исследуемого кристалла отрицательный
8
Кристалл ниобата лития LiNbO<sub>3</sub> толщиной 10,00 мм
α=10°
<img file="00000008.tif" he="17" wi="35" img-content="undefined" img-format="tif" />
Знак исследуемого кристалла отрицательный
9
Кристалл парателлурита ТеO<sub>2</sub> толщиной 3,10 мм
α=40°
<img file="00000009.tif" he="14" wi="54" img-content="undefined" img-format="tif" />
Знак исследуемого кристалла положительный
10
Кристалл кварца SiO<sub>2</sub> толщиной 6,12 мм
α=40°
<img file="00000010.tif" he="12" wi="53" img-content="undefined" img-format="tif" />
Знак исследуемого кристалла положительный
11
Кристалл йодата лития LiIO<sub>3</sub> толщиной 5,94 мм
α=40°
<img file="00000011.tif" he="12" wi="53" img-content="undefined" img-format="tif" />
Знак исследуемого кристалла отрицательный
12
Кристалл ниобата лития LiNbO<sub>3</sub> толщиной 10,00 мм
α=40°
<img file="00000012.tif" he="12" wi="53" img-content="undefined" img-format="tif" />
Знак исследуемого кристалла отрицательный
13
Кристалл парателлурита ТеO<sub>2</sub> толщиной 3,10 мм
α=8°
<img file="00000013.tif" he="13" wi="27" img-content="undefined" img-format="tif" />
Знак исследуемого кристалла не определен
14
Кристалл парателлурита ТеО<sub>2</sub> толщиной 3,10 мм
α=45°
<img file="00000014.tif" he="14" wi="25" img-content="undefined" img-format="tif" />
Знак исследуемого кристалла не определен
15
Кристалл йодата лития LiIO<sub>3</sub> толщиной 5,94 мм
α=8°
<img file="00000015.tif" he="10" wi="25" img-content="undefined" img-format="tif" />
Знак исследуемого кристалла не определен
16
Кристалл йодата лития LiIO<sub>3</sub> толщиной 5,94 мм
α=45°
<img file="00000016.tif" he="13" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
Знак исследуемого кристалла не определен
Заявляемый способ расширяет функциональные возможности определения оптического знака кристалла по сравнению с прототипом и позволяет более достоверно визуально определять оптический знак кристалла.
Источники информации
1. Константинова А.Ф. Оптические свойства кристаллов. / А.Ф.Константинова, Б.И.Гречушников, Б.В.Бокуть, Е.Г.Вапяшко. - Минск: Наука и техника, 1995. - 302 с.
2. Пикуль О.Ю. Определение оптического знака кристалла интерференционным способом. / О.Ю.Пикуль, В.И.Строганов. // Труды IV международной конференции молодых ученых и специалистов «ФПО 2006». - Санкт-Петербург. - 17-21 октября 2006 г. - С.192-194.
3. Блисталлов А.А. Акустические кристаллы. Справочник. / А.А.Блистаплов, В.С.Бондаренко, В.В.Чкалова. / Под ред. М.П.Шаскольской. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982. - 632 с.