СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗНАКА ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ В ОПТИЧЕСКИ АКТИВНОМ КРИСТАЛЛЕ Российский патент 2006 года по МПК G01N21/21 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к приборам на основе оптической активности кристаллов: вращателям оптического излучения, используемым для кодирования и декодирования оптических изображений и сигналов; приборам для измерения оптических характеристик в зависимости от положения плоскости поляризации излучения.

Известно, что оптически активные кристаллы обладают свойством поворачивать плоскость поляризации прошедшего линейно поляризованного излучения на определенный угол. Линейно поляризованное излучение на входе в такой кристалл испытывает двойное циркулярное лучепреломление. Вращение плоскости поляризации излучения происходит из-за различия фазовых скоростей право- и левоциркулярного излучений. На выходе из кристалла эти излучения складываются снова в линейно поляризованное излучение, но с повернутой плоскостью поляризации. Плоскость поляризации вращается в ту же сторону, что и вектор Е циркулярно поляризованного излучения с большей фазовой скоростью. При отклонении от оптической оси кристалла линейно поляризованное излучение разлагается на два эллиптически поляризованных излучения с одинаковой эллиптичностью и противоположным направлением обхода.

Оптически активные кристаллы могут иметь две модификации - правую и левую. При этом удельные вращения обеих модификаций равны между собой, и отличие состоит только в знаке вращения. Угол поворота плоскости поляризации излучения принято оценивать при наблюдении навстречу световому лучу. Если кристалл вращает плоскость поляризации излучения по часовой стрелке (направо), то его называют правовращающим, если против часовой стрелки (налево), его называют левовращающим [1].

Общепринято, что знак вращения плоскости поляризации излучения в оптически активном кристалле определяют путем исследования коноскопической (интерференционной) картины кристалла, полученной в поляризованном сходящемся излучении.

Необходимым условием получения коноскопической картины является соизмеримость толщины кристаллической пластинки с длиной когерентности (расстоянием, на котором разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами остается постоянной за время наблюдения).

Коноскопическую картину получают путем пропускания через кристаллическую пластинку сходящегося поляризованного излучения, состоящего из множества лучей, идущих во всех направлениях в пределах достаточно широкого конуса. Направление вектора Е для каждого луча этого конуса одинаково и совпадает с осью пропускания поляризатора.

После кристалла конус излучения теряет свою однородность: не все лучи конуса излучения имеют одинаковое направление вектора Е, и, как следствие, не для всех лучей конуса излучения направление вектора Е совпадает с осью пропускания поляризатора.

При этом конус излучения после кристалла приобретает структуру, представляющую собой чередующиеся вложенные друг в друга конические области, свойства которых с некоторыми допущениями можно представить следующим образом. Допускаем, что свойства центрального тонкого слоя каждой конической области распространяются на соседние слои этой области.

Центральный конический слой одной области представляет собой набор лучей с направлением вектора Е, зависящим от разности фаз, которая для каждого слоя остается постоянной, и влияния оптической активности.

В этом слое в зависимости от угла ϕ (угол между осью пропускания поляризатора и плоскостью, в которой лежит падающий луч) вектор Е излучения меняет направление в пределах от параллельного оси пропускания анализатора до направления, перпендикулярного оси пропускания анализатора.

При этом слой излучения содержит расположенные попарно в соответствии с осями пропускания поляризатора и анализатора четыре фрагмента с вектором Е, перпендикулярным оси пропускания анализатора. В совпадающих с осью пропускания поляризатора двух фрагментах излучения вектор Е является необыкновенным, в совпадающих с осью пропускания анализатора двух фрагментах - обыкновенным.

Центральный конический слой соседней области содержит излучение с направлением вектора Е, только перпендикулярным оси пропускания анализатора.

Таким образом, излучение, вышедшее из кристалла, представляет собой чередующиеся конические области, одни из которых включают излучение с направлениями векторов Е в пределах от параллельного оси пропускания анализатора до направления, перпендикулярного оси пропускания анализатора, а другие включают излучение с векторами Е, только перпендикулярным оси пропускания анализатора.

Для активного кристалла в зоне действия его оптической активности (вблизи его оптической оси) чередование таких областей в конусе излучения нарушается, и наблюдаются, по крайней мере, три области излучения, однородные по направлению вектора Е. По оси оптической системы распространяется линейно поляризованное излучение с вектором Е, повернутым относительно первоначального положения в результате действия оптической активности кристалла. В следующей области распространяется линейно поляризованное излучение с вектором Е, перпендикулярным оси пропускания анализатора. Затем расположена область линейно поляризованного излучения с вектором Е, параллельным оси пропускания анализатора.

Получаемая коноскопическая картина определяется пространственным распределением разностей хода и направлений векторов Е на выходе из кристалла в различных областях конуса излучения и является проекцией этого распределения в областях излучения. Эта коноскопическая картина становится видимой с помощью анализатора, ось пропускания которого определяет направление вектора Е прошедшего линейно поляризованного излучения.

Вид коноскопической картины зависит от ориентации, осности, оптической активности, величины двупреломления и толщины кристалла [2].

Для оптически активной кристаллической пластинки правой или левой модификации с входной гранью, перпендикулярной оптической оси кристалла, коноскопическая картина с линейно поляризованным излучением представляет собой систему концентрических черных и светлых колец, каждое из которых является проекцией соответствующей области конуса излучения. Кроме того, в периферийной области картины наблюдается черный «мальтийский» крест со сторонами, параллельными осям пропускания поляризатора и анализатора. Возникновение креста обусловлено наличием в каждой области четырех фрагментов излучения с векторами Е (обыкновенными для одной пары фрагментов и необыкновенными для другой пары), которые перпендикулярны оси пропускания анализатора. Проекцией такого излучения, задержанного анализатором, является черный крест.

Для активного кристалла в зоне действия его оптической активности черный крест отсутствует и наблюдается чередование однородных колец. В центре зоны действия оптической активности кристалла наблюдается серое пятно, которое является проекцией линейно поляризованного излучения, проходящего по оси конуса, с вектором Е, повернутым относительно первоначального положения в результате действия оптической активности кристалла. Следующее черное кольцо является проекцией области линейно поляризованного излучения с вектором Е, перпендикулярным оси пропускания анализатора. Соседнее светлое кольцо является проекцией области линейно поляризованного излучения с вектором Е, параллельным оси пропускания анализатора

Проблема определения знака вращения плоскости поляризации излучения в оптически активном кристалле заключается в неоднозначности результата для кристаллических пластинок с большой величиной вращения плоскости поляризации излучения, превышающей 180°.

Известен способ определения знака вращения плоскости поляризации излучения в оптически активном кристалле [2], основанный на повороте вектора Е излучения, прошедшего по оси кристалла, и на дисперсии (нормальной) вращения плоскости поляризации излучения в кристалле (по длинам волн).

Для определения знака вращения плоскости поляризации излучения используют оптическую систему, содержащую источник излучения, монохроматический светофильтр (например, красный или зеленый), поляризатор, исследуемую кристаллическую пластинку и анализатор. При этом поляризатор и анализатор являются скрещенными, то есть их оси пропускания расположены взаимно перпендикулярно. Исследуемая кристаллическая пластинка вырезана из одноосного оптически активного кристалла так, что входная грань пластинки перпендикулярна оптической оси кристалла.

Способ определения знака вращения плоскости поляризации излучения в оптически активном кристалле заключается в следующем.

Вначале получают коноскопическую картину путем пропускания сходящегося излучения через оптическую систему с красным светофильтром. Красный светофильтр и поляризатор преобразуют сходящееся излучение в монохроматическое линейно поляризованное излучение. Далее каждый луч этого излучения в кристаллической пластинке разбивается на два - обыкновенный и необыкновенный, которые между собой когерентны и на выходе из кристалла приобретают определенную разность фаз.

Анализатор пропускает излучение только с вектором Е, параллельным его оси пропускания. На выходе из анализатора получают линейно поляризованное излучение, дающее коноскопическую картину в виде системы черных и красных колец, пересеченных черным «мальтийским» крестом в периферийной области. В центральной части зоны действия оптической активности крест отсутствует, и располагается красное пятно.

Далее анализатор поворачивают на угол, при этом коноскопическая картина изменяется, и при определенном угле красное пятно в центре картины гаснет. Измеряют угол поворота анализатора от первоначального положения до положения, соответствующего погасанию центрального красного пятна.

Затем возвращают оптическую систему в исходное состояние, устанавливают зеленый светофильтр и получают коноскопическую картину с линейно поляризованным излучением в виде системы черных и зеленых колец, пересеченных черным «мальтийским» крестом в периферийной области. В центральной части зоны действия оптической активности крест отсутствует и располагается зеленое пятно.

Вновь анализатор поворачивают на угол от первоначального положения, коноскопическая картина изменяется, и при определенном угле поворота зеленое пятно в центре картины гаснет. Измеряют угол поворота анализатора, соответствующий погасанию центрального зеленого пятна.

Для погасания центрального пятна при красном светофильтре анализатор поворачивают на меньший угол, чем для погасания центрального пятна при зеленом светофильтре. Это обусловлено тем, что угол вращения плоскости поляризации в кристалле для линейно поляризованного излучения, прошедшего красный светофильтр, меньше угла поворота плоскости поляризации в кристалле для излучения с зеленым светофильтром. Поэтому направление вращения анализатора от погасания с красным светофильтром к погасанию с зеленым светофильтром совпадает с направлением вращения плоскости поляризации излучения в исследуемой кристаллической пластинке.

Это совпадение позволяет судить о знаке вращения плоскости поляризации излучения в исследуемой пластинке. При повороте плоскости поляризации излучения по часовой стрелке при взгляде навстречу лучу исследуемая кристаллическая пластинка является правовращающей, при повороте против часовой стрелки - левовращающей.

Достоинством известного способа является достоверность определения знака вращения плоскости поляризации излучения для широкого класса тонких оптически активных кристаллических пластинок с небольшой удельной величиной вращения плоскости поляризации прошедшего излучения.

Однако достоверность определения знака вращения плоскости поляризации излучения в оптически активном кристалле снижается для любых толстых кристаллических пластинок и для тонких образцов с большой удельной величиной вращения плоскости поляризации излучения, превышающей 180°.

Снижение достоверности наблюдается в кристаллах, для которых угол между направлениями погасания с красным и зеленым светофильтрами равен 180° или превышает это значение. В этом случае определение направления поворота анализатора от первого погасания ко второму затруднительно в силу равновероятности поворота анализатора по и против часовой стрелки и может привести к ложному результату, то есть, например, правовращающий кристалл может быть определен как левовращающий.

Кроме того, достоверность результата снижается за счет необходимости неоднократной настройки оптической системы в процессе исследования одного образца, обусловленной сменой светофильтров и регулировкой положения анализатора

Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является способ определения знака вращения плоскости поляризации излучения в оптически активном кристалле [2], который основан на сравнении коноскопических картин при прохождении линейно поляризованного излучения через эталонную и исследуемую кристаллические пластинки и который устраняет недостатки вышеописанного аналога.

Для определения знака вращения плоскости поляризации излучения в оптически активном кристалле используют оптическую систему, содержащую источник излучения, поляризатор, эталонную оптически активную кристаллическую пластинку с известным знаком вращения, исследуемую кристаллическую пластинку, вырезанную из оптически активного кристалла перпендикулярно оптической оси, и анализатор. Оптическая ось эталонной пластинки совпадает с осью оптической системы. Поляризатор и анализатор скрещены, то есть их оси пропускания взаимно перпендикулярны. Оптическую ось исследуемой кристаллической пластинки совмещают с осью оптической системы.

Способ определения знака вращения плоскости поляризации излучения в оптически активном кристалле заключается в сравнении коноскопических картин для зон действия оптической активности кристалла, полученных путем пропускания сходящегося линейно поляризованного излучения через эталонную пластинку и через комбинацию эталонной и исследуемой кристаллических пластинок.

Вначале получают коноскопическую картину путем пропускания сходящегося линейно поляризованного излучения через оптическую систему с эталонной пластинкой. Направление вектора Е для каждого луча конуса излучения одинаково и совпадает с осью пропускания поляризатора.

После эталонной пластинки излучение в периферийной области представляет собой чередующиеся области излучения, содержащие только векторы Е, перпендикулярные оси пропускания анализатора, и содержащие векторы Е с направлениями в пределах от параллельного оси пропускания анализатора до направления, перпендикулярного оси пропускания анализатора. Излучение в зоне действия оптической активности представляет собой чередующиеся однородные по направлению вектора Е области.

Коноскопическая картина с таким излучением представляет собой систему концентрических черных и светлых колец, пересеченных на периферии черным «мальтийским» крестом. В зоне действия оптической активности крест отсутствует, и в центре располагается серое пятно, окруженное черным и светлым кольцами.

Далее за эталонной пластинкой устанавливают исследуемую кристаллическую пластинку и вновь получают коноскопическую картину.

При этом в случае, если знак вращения плоскости поляризации излучения в исследуемой пластинке совпадает со знаком вращения излучения в эталонной пластинке, то вид коноскопической картины не меняется как на периферии, так и в зоне действия оптической активности. Наблюдают изменения в толщине черных и светлых колец в коноскопической картине, что обусловлено изменением разности хода лучей из-за увеличения оптического пути, связанного с добавлением исследуемой пластинки.

В случае, если знак вращения плоскости поляризации излучения в исследуемой пластинке не совпадает со знаком вращения в эталонной пластинке, то в зоне действия оптической активности вид коноскопической картины меняется.

В центре зоны действия оптической активности серое пятно после прохождения излучения через исследуемую пластинку с противоположным знаком вращения становится черным. При этом направление вектора Е излучения приближается к первоначальному направлению до входа в пластинки (параллельному оси пропускания поляризатора). Это обусловлено тем, что под действием оптической активности линейно поляризованное излучение в направлении оптической оси разлагается на право- и левоциркулярное излучения. На выходе из кристалла эти излучения снова складываются в линейно поляризованное излучение, но с повернутым положением вектора Е. Вектор Е линейно поляризованного излучения поворачивается из-за различия фазовых скоростей циркулярных излучений в ту же сторону, что и вектор Е циркулярного излучения с большей скоростью.

При распространении излучения вдоль оптической оси правовращающая и левовращающая пластинки поворачивают вектор Е излучения на один и тот же угол, но в противоположные направления. Поэтому при распространении излучения вдоль оптической оси вращение вектора Е излучения после эталонной пластинки полностью компенсируется при прохождении излучения через противоположную по знаку вращения исследуемую кристаллическую пластинку.

В каждой соседней области рассматриваемой зоны, ранее однородной по направлению вектора Е излучения, происходит только частичная компенсация действия оптической активности.

Однородность по направлению вектора Е излучения в зоне действия оптической активности нарушается, что обусловлено наличием векторов Е с направлениями как параллельными, так и перпендикулярными оси пропускания поляризатора.

Нарушение однородности по направлению вектора Е в областях связано с азимутальной зависимостью положения вектора Е излучения от действия оптической активности в эталонной и исследуемой кристаллических пластинках, которая проявляется в зоне действия оптической активности при отходе излучения от оптической оси.

При отходе от оптической оси активного кристалла линейно поляризованное излучение распадается на два эллиптически поляризованных излучения с разными фазовыми скоростями и противоположным направлением вращения вектора Е, которые на выходе из кристалла суммируются в линейно поляризованное излучение, но с повернутым вектором Е. В этом случае поворот вектора Е излучения в правовращающей и левовращающей пластинках остается противоположным по знаку, но при разных углах отхода от оптической оси становится разным по абсолютной величине.

При этом во второй от центра области излучения с направлением вектора Е, параллельным оси пропускания анализатора, присутствуют четыре взаимно перпендикулярных фрагмента, в которых выходят лучи с направлением колебаний, соответствующим оси пропускания поляризатора. За счет азимутальной зависимости эти четыре фрагмента с направлением вектора Е, параллельным оси пропускания поляризатора, смещаются по отношению к осям пропускания поляризатора и анализатора.

В третьей от центра области при дальнейшем отклонении излучения от оптической оси четыре фрагмента излучения с вектором Е, параллельным оси пропускания поляризатора, еще больше смещаются по отношению к осям пропускания поляризатора и анализатора. Таким образом, в каждой области есть излучение с направлением векторов Е как параллельным, так и перпендикулярным оси пропускания поляризатора.

Коноскопическая картина в зоне действия оптической активности вместо ожидаемого от компенсации прямого черного креста имеет следующий вид.

Фрагменты излучения с направлением колебаний, параллельным оси пропускания поляризатора, смещенные в каждой области, образуют проекцию в виде черной четырехходовой спирали (спирали Эйри).

Проекцией фрагментов излучения с направлением колебаний, параллельным оси пропускания анализатора, являются расположенные взаимно перпендикулярно две светлые фигуры «инь-янь».

При сохранении вида коноскопической картины в зоне действия оптической активности эталонной пластинки при внесении в оптическую систему исследуемой кристаллической пластинки делают вывод, что вращение плоскости поляризации излучения в исследуемой кристаллической пластинке совпадает по знаку с вращением плоскости поляризации излучения в эталонной пластинке.

При изменении вида коноскопической картины в зоне действия оптической активности эталонной пластинки и получения на ней спиралей Эйри в случае внесения в оптическую систему исследуемой кристаллической пластинки делают вывод, что вращение плоскости поляризации излучения в исследуемой кристаллической пластинке противоположно по знаку с вращением плоскости поляризации излучения в эталонной пластинке.

Достоинством способа определения знака вращения плоскости поляризации излучения в оптически активном кристалле является более высокая степень достоверности определения знака вращения плоскости поляризации излучения в тонких кристаллических пластинках как с малой, так и с большой величинами удельного вращения плоскости поляризации излучения, превышающей 180°, за счет однозначности установления знака вращения.

Это обусловлено тем, что в тонкой кристаллической пластинке толщина соизмерима с длиной когерентности, на которой обеспечивается постоянная разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами.

Однако достоверность определения знака вращения плоскости поляризации излучения в оптически активном кристалле снижается для любых толстых правовращающих и левовращающих кристаллических пластинок с любыми удельными величинами вращения плоскости поляризации излучения.

Снижение достоверности в таких кристаллических пластинках обусловлено тем, что толщина толстой пластинки превышает длину когерентности и при прохождении излучения нарушается условие возникновения коноскопической картины. При увеличении толщины пластинки появляется добавочная разность хода между обыкновенным и необыкновенным лучами, которая превышает длину когерентности. Превышение приводит к нарушению корреляции между фазами обыкновенного и необыкновенного лучей, что обуславливает деполяризацию излучения на выходе из кристаллической пластинки. Необходимое условие получения коноскопической картины нарушается. Проекцией такого неполяризованного излучения является серое пятно на коноскопической картине.

Следовательно, сравнение коноскопических картин затруднительно в силу равновероятности получения серого пятна как в случае одинаковых по знаку вращения эталонной и исследуемой кристаллических пластинок, так и в случае противоположных по знаку вращения эталонной и исследуемой кристаллических пластинок. Это может привести к ложному результату, то есть, например, правовращающий кристалл может быть определен как левовращающий.

Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке способа определения знака вращения плоскости поляризации излучения в оптически активном кристалле, позволяющего с большой степенью вероятности определить знак вращения плоскости поляризации излучения в любой оптически активной кристаллической пластинке как в толстой, так и в тонкой с любой величиной удельного вращения плоскости поляризации излучения.

Для решения поставленной задачи в известном способе определения знака вращения плоскости поляризации излучения в оптически активном кристалле, заключающемся в пропускании линейно поляризованного излучения через исследуемую кристаллическую пластинку и получении коноскопической картины в виде спиралей, по которой судят о знаке вращения плоскости поляризации излучения в исследуемой кристаллической пластинке, через исследуемую кристаллическую пластинку пропускают циркулярно поляризованное излучение, предварительно преобразованное из линейно поляризованного излучения, получают коноскопическую картину в виде двух вложенных одна в другую спиралей и при наблюдении навстречу лучу по направлению закручивания ветвей судят о знаке вращения плоскости поляризации излучения в исследуемой кристаллической пластинке, при этом при закручивании ветвей спиралей по часовой стрелке делают вывод о правом вращении плоскости поляризации излучения в исследуемой кристаллической пластинке, при закручивании ветвей спиралей против часовой стрелки - о левом вращении плоскости поляризации излучения в исследуемой кристаллической пластинке.

Именно воздействие циркулярно поляризованного излучения на исследуемую кристаллическую пластинку позволяет с большой степенью вероятности определить знак вращения плоскости поляризации излучения в любой по толщине исследуемой кристаллической пластинке.

Определение знака вращения плоскости поляризации излучения в кристаллической пластинке любой толщины обусловлено сохранением параметров поляризации для обыкновенного и необыкновенного лучей циркулярно поляризованного излучения по всей толщине пластинки. Оно достигается за счет согласованного изменения параметров обыкновенного и необыкновенного лучей циркулярно поляризованного излучения в зоне действия оптической активности и их взаимной компенсацией (корреляцией). Постоянство параметров обыкновенного и необыкновенного лучей циркулярно поляризованного излучения, в частности постоянство разности фаз по всей толщине пластинки, приводит к увеличению длины когерентности и, как следствие, к получению коноскопической картины.

На фигуре 1 приведена фотография коноскопической картины с циркулярно поляризованным излучением правовращающей оптически активной кристаллической пластинки ТеО₂ толщиной 3,10 мм.

На фигуре 2 приведена фотография коноскопической картины с циркулярно поляризованным излучением левовращающей оптически активной кристаллической пластинки LiIO₂ толщиной 1,18 мм.

Для осуществления способа определения знака вращения плоскости поляризации излучения в оптически активном кристалле используют оптическую систему, которая содержит источник излучения, поляризатор, фазовую четвертьволновую пластинку, главные направления которой составляют угол 45° с осью пропускания поляризатора, исследуемую кристаллическую пластинку, анализатор с осью пропускания, перпендикулярной оси пропускания поляризатора, и экран. Исследуемая кристаллическая пластинка вырезана из одноосного оптически активного кристалла так, что входная грань пластинки перпендикулярна оптической оси кристалла. Оптическая ось исследуемой пластинки совпадает с осью оптической системы.

Способ определения знака вращения плоскости поляризации излучения в оптически активном кристалле осуществляют следующим образом.

Сходящееся излучение направляют на поляризатор вдоль оси оптической системы. После поляризатора линейно поляризованное излучение подают на фазовую четвертьволновую пластинку, которая преобразует линейно поляризованное излучение в циркулярно поляризованное за счет различия в показателях преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, полученных в пластинке и имеющих равные амплитуды векторов Е.

При этом результирующий вектор Е циркулярно поляризованного излучения меняет свое направление таким образом, что его конец движется в пространстве по винтовой линии на поверхности цилиндра. Такое движение получается в результате геометрического сложения полученных в фазовой пластинке обыкновенного и необыкновенного лучей, которые имеют равные амплитуду и разность фаз π/2.

Центральный луч циркулярного излучения представляет собой результат сложения обыкновенного и необыкновенного лучей с векторами Е, расположенными параллельно и перпендикулярно оси пропускания анализатора.

Каждый равноудаленный от оптической оси луч циркулярного излучения представляет собой результат сложения обыкновенного и необыкновенного лучей с векторами Е, расположенными под некоторым углом к оси пропускания анализатора.

Далее такое циркулярное излучение подают на оптически активную кристаллическую пластинку. Оптическая активность кристалла воздействует на излучение в пределах зоны действия оптической активности. При этом воздействие оптической активности проявляется неодинаково и зависит от угла распространения излучения относительно оптической оси (азимутальная зависимость).

Излучение центральной области проходит через кристаллическую пластинку без изменения, то есть остается циркулярно поляризованным с векторами Е обыкновенного и необыкновенного лучей, параллельными и перпендикулярными оси пропускания анализатора.

Излучение каждой соседней области преобразуется в эллиптическое за счет того, что каждый обыкновенный и необыкновенный луч соответственно превращается в два эллиптически поляризованных излучения с разными фазовыми скоростями и противоположным направлением вращения вектора Е.

Результат сложения этих эллиптических излучений на выходе зависит от формы и ориентировки эллипсов на входе в пластинку, а также от приобретенной разности фаз. При этом форма и ориентировка эллипсов в кристаллической пластинке определяется углом отклонения излучения от оптической оси, приобретенная разность фаз - толщиной пластинки.

Излучение каждой области имеет свою эллиптическую поляризацию с различной степенью эллиптичности (от нуля до единицы) и свое направление векторов Е обыкновенного и необыкновенного лучей, различное по отношению к оси пропускания анализатора. При этом в каждой равноудаленной от оси области присутствуют два фрагмента излучения с вектором Е, направленным перпендикулярно оси пропускания анализатора, и два фрагмента излучения с вектором Е, направленным параллельно оси пропускания анализатора.

Таким образом, каждая область излучения, кроме центральной, на выходе из пластинки является неоднородной по степени эллиптичности и ориентации большой оси эллипса поляризации, и, как следствие, содержит векторы Е, различные по амплитуде и направлению.

По мере отклонения излучения от оптической оси одинаковые по направлению и амплитуде векторы Е смещаются по отношению к таким же векторам в соседней области за счет азимутальной зависимости действия оптической активности.

Кроме того, взаимодействие оптической активности кристалла с циркулярным излучением приводит к увеличению длины когерентности, что обеспечивает сохранение вышеописанных параметров излучения набольшем оптическом пути.

Вышедшее из кристаллической пластинки излучение направляют на анализатор, который пропускает только излучение каждой области с вектором Е, параллельным своей оси пропускания, и не пропускает излучение с вектором Е, перпендикулярным оси пропускания.

Совокупность пропущенного и не пропущенного анализатором излучений создает коноскопическую картину, которая имеет следующий вид.

Проекцией центрального излучения является светлое пятно.

Проекцией каждой равноудаленной от оси области является кольцо, которое содержит два черных и два светлых фрагмента. По мере удаления колец от центра черные и светлые фрагменты постепенно смещаются.

Смещенные в каждом следующем кольце светлые фрагменты образуют проекцию в виде светлой фигуры «инь-янь».

Смещенные в каждом следующем кольце черные фрагменты образуют проекцию в виде двух черных вложенных друг в друга спиралей.

О знаке вращения плоскости поляризации излучения в исследуемой кристаллической пластинке судят по направлению закручивания ветвей спиралей на полученной коноскопической картине.

Благодаря двойной спирали четко выражено направление закручивания ветвей спиралей, что позволяет однозначно определить знак вращения плоскости поляризации излучения в исследуемой кристаллической пластинке.

При совпадении направления закручивания ветвей спиралей при наблюдении навстречу лучу с направлением поворота по часовой стрелке делают вывод, что исследуемая кристаллическая пластинка вращает плоскость поляризации излучения вправо и, следовательно, является правовращающей. При направлении закручивания ветвей спиралей против часовой стрелки делают вывод, что исследуемая кристаллическая пластинка вращает плоскость поляризации излучения влево и, следовательно, является левовращающей.

Эксперимент проведен в научно-исследовательской лаборатории оптики на кафедре «Физика» ДВГУПС.

Пример 1. Способ определения знака вращения плоскости поляризации излучения в тонкой кристаллической пластинке ТеО₂ осуществляют как описано выше. При проведении эксперимента в оптической системе в качестве источника монохроматического излучения используют гелий-неоновый лазер с длиной волны 0,6328 мкм, в качестве поляризатора и анализатора - поляроиды ПФ36, в качестве фазовой четвертьволновой пластинки - кварцевую пластинку, вырезанную параллельно оптической оси толщиной порядка 3 мм, в качестве исследуемого оптически активного кристалла - кристаллическую пластинку, вырезанную перпендикулярно оптической оси из кристалла парателлурита ТеО₂ толщиной 0,33 мм. Результаты эксперимента зафиксированы цифровой фотокамерой «Practica».

Пример 2. Способ определения знака вращения плоскости поляризации излучения в тонкой кристаллической пластинке ТеО₂ осуществляют как в примере 1. В качестве исследуемой берут кристаллическую пластинку, вырезанную из кристалла парателлурита ТеО₂ толщиной 1,26 мм.

Пример 3. Способ определения знака вращения плоскости поляризации излучения в толстой кристаллической пластинке ТеО₂ осуществляют как в примере 1. В качестве исследуемой берут кристаллическую пластинку, вырезанную из кристалла парателлурита ТеО₂ толщиной 3,10 мм.

Пример 4. Способ определения знака вращения плоскости поляризации излучения в толстой кристаллической пластинке TeO₂ осуществляют как в примере 1. В качестве исследуемой берут кристаллическую пластинку, вырезанную из кристалла парателлурита ТеО₂ толщиной 5,12 мм.

Пример 5. Способ определения знака вращения плоскости поляризации излучения в тонкой кристаллической пластинке LiIO₃ осуществляют как в примере 1. В качестве исследуемой берут кристаллическую пластинку, вырезанную из кристалла иодата лития LiIO₃ толщиной 1,18 мм.

Пример 6. Способ определения знака вращения плоскости поляризации излучения в толстой кристаллической пластинке LiIO₃ осуществляют как в примере 1. В качестве исследуемой берут кристаллическую пластинку, вырезанную из кристалла иодата лития LiIO₃ толщиной 2,71 мм.

Пример 7. Способ определения знака вращения плоскости поляризации излучения в толстой кристаллической пластинке LiIO₃ осуществляют как в примере 1. В качестве исследуемой берут кристаллическую пластинку, вырезанную из кристалла иодата лития LiIO₃ толщиной 5,94 мм.

Пример 8. Способ определения знака вращения плоскости поляризации излучения в толстой кристаллической пластинке LiIO₃ осуществляют как в примере 1. В качестве исследуемой берут кристаллическую пластинку, вырезанную из кристалла иодата лития LiIO₃ толщиной 7,04 мм.

Пример 9. Способ определения знака вращения плоскости поляризации излучения в тонкой кристаллической пластинке SiO₂ осуществляют как в примере 1. В качестве исследуемой берут кристаллическую пластинку, вырезанную из кристалла кварца SiO₂ толщиной 1,20 мм.

Пример 10. Способ определения знака вращения плоскости поляризации излучения в толстой кристаллической пластинке SiO₂ осуществляют как в примере 1. В качестве исследуемой берут кристаллическую пластинку, вырезанную из кристалла кварца SiO₂ толщиной 3,00 мм.

Пример 11. Способ определения знака вращения плоскости поляризации излучения в толстой кристаллической пластинке SiO₂ осуществляют как в примере 1. В качестве исследуемой берут кристаллическую пластинку, вырезанную из кристалла кварца SiO₂ толщиной 5,40 мм.

Пример 12. Способ определения знака вращения плоскости поляризации излучения в толстой кристаллической пластинке SiO₂ осуществляют как в примере 1. В качестве исследуемой берут кристаллическую пластинку, вырезанную из кристалла кварца SiO₂ толщиной 6,14 мм.

В результате эксперимента в примерах 1-12 для каждой исследуемой кристаллической пластинки получают свою коноскопическую картину, которая представляет собой фигуру, состоящую из двух вложенных одна в другую спиралей. В примерах 1, 4, 6, 8, 9, 10 ветви спиралей закручены по часовой стрелке. В примерах 2, 3, 5, 7, 11, 12 ветви спиралей закручены против часовой стрелки. По коноскопической картине определяют знак вращения плоскости поляризации излучения в исследуемой кристаллической пластинке. При направлении закручивания ветвей спиралей при наблюдении навстречу лучу по часовой стрелке делают вывод, что исследуемая кристаллическая пластинка вращает плоскость поляризации излучения вправо и, следовательно, является правовращающей. При направлении закручивания ветвей спиралей против часовой стрелки делают вывод, что исследуемая кристаллическая пластинка вращает плоскость поляризации излучения влево и, следовательно, является левовращающей.

Примеры 13-24. Способ определения знака вращения плоскости поляризации излучения в оптически активном кристалле осуществляют как описано в прототипе. В качестве эталонной пластинки используют правовращающую кристаллическую пластинку из кристалла паратеялурита ТеО₂ толщиной 3,00 мм. В качестве исследуемой пластинки берут кристаллические пластинки, описанные в примерах 1-12.

Результаты определения знака вращения плоскости поляризации излучения в различных исследуемых кристаллических пластинках по заявляемому способу и по способу, описанному в прототипе, приведены в таблице.

Определение знака вращения плоскости поляризации излучения в оптически активном кристалле№приме ровНаименов. кристаллаТолщина исследуемой кристаллической пластинки d, ммВращение плоскости поляризации ϕ=ρ·d, град/ммпо заявляемому способу№ приме ровпо способу прототипувид коноскопи ческой картиныНаправл. закручив. спиралейзнак вращениявид коноскопи ческой картинызнак вращения1TeO₂0,3328,71двойная спиральпо час. стрелкеправовр.13светлые и черные кольцаправовр.2TeO₂1,26109,62двойная спиральпротив час.стр.левовращ.14спирали Эйрялевовращ.3TeO₂3,10269,70двойная спиральпротив час. стр.левовращ.15серое пятноне определен4TeO₂5,12445,44двойная спиральпо час.стрелкеправовр.16серое пятноне определен5LiIO₃1,18100,77двойная спиральпротив час.стр.левовращ.17опирали Эйрилевовращ.6LiIO₃2,71231,43двойная спиральпо час.стрелкеправовр.18серое пятноне определен7LiIO₃5,94507,28двойная спиральПротив час.стр.левовращ.19серое пятноне определен8LiIO₃7,04601,22двойная спиральпо час. стрелкеправовр.20серое пятноне определен9SiO₂1,2022,63двойная спиральпо час. стрелкеправовр.21светлые и черные кольцаправовр.10SiO₂3,0056,58двойная спиральпо час. стрелкеправовр.22серое пятноне определен11SiO₂5,40101,84двойная спиральпротив час. стр.левовращ,23серое пятноне определен12SiO₂6,14115,80двойная спиральпротив час.стр.левовращ.24серое пятноне определен

Из эксперимента видно, что использование заявляемого способа определения знака вращения плоскости поляризации излучения в оптически активном кристалле позволяет определить знак вращения плоскости поляризации излучения в оптически активной кристаллической пластинке любой толщины.

Источники информации, принятые во внимание

1. Константинова А.Ф. Оптические свойства кристаллов/А.Ф.Константинова, Б.И.Гречушников, Б.В.Бокуть, Е.Г.Валяшко. - Минск.: Наука и техника, 1995. 302 с.

2. Меланхолин Н.М. Методы исследования оптических свойств кристаллов/Н.М.Меланхолин. - М.: Наука, 1970. 155с.

Способ относится к области оптического приборостроения, в частности к вращателям оптического излучения, используемым для кодирования и декодирования оптических изображений и сигналов, и приборам для измерения оптических характеристик в зависимости от положения плоскости поляризации излучения. Способ заключается в пропускании циркулярно поляризованного излучения через исследуемую кристаллическую пластинку и получении коноскопической картины в виде двойной спирали. При закручивании ветвей спиралей при наблюдении навстречу лучу по часовой стрелке делают вывод, что исследуемая кристаллическая пластинка вращает плоскость поляризации излучения вправо. При закручивании ветвей спиралей против часовой стрелки делают вывод, что исследуемая кристаллическая пластинка вращает плоскость поляризации излучения влево. Технический результат заключается в определении с большой степенью вероятности знака вращения плоскости поляризации излучения в исследуемой оптически активной кристаллической пластинке любой толщины. 1 табл., 2 ил.

Способ определения знака вращения плоскости поляризации излучения в оптически активном кристалле, заключающийся в пропускании поляризованного излучения через исследуемую кристаллическую пластинку и получении коноскопической картины в виде спиралей, по которой судят о знаке вращения плоскости поляризации излучения в исследуемой кристаллической пластинке, отличающийся тем, что через исследуемую кристаллическую пластинку пропускают циркулярно поляризованное излучение, предварительно преобразованное из линейно поляризованного излучения, а коноскопическую картину получают в виде двух вложенных одна в другую спиралей, и при наблюдении навстречу лучу по направлению закручивания ветвей спиралей судят о знаке вращения плоскости поляризации излучения в исследуемой кристаллической пластинке: при их закручивании по часовой стрелке делают вывод о правом вращении плоскости поляризации излучения, а при их закручивании против часовой стрелки - о левом вращении плоскости поляризации излучения.