УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ЗНАКА КРИСТАЛЛА Российский патент 2008 года по МПК G01M11/02 G02B26/06 

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.

Известно устройство для определения оптического знака кристалла, основанное на сравнении углов преломления обыкновенного и необыкновенного лучей [1].

Устройство для определения оптического знака кристалла содержит последовательно расположенные источник монохроматического излучения, рассеиватель, поляризатор, призму, анализатор и экран, установленные перпендикулярно оси оптической системы.

Призма выполнена из исследуемого кристалла, оптическая ось которого параллельна плоскости входной грани призмы. Призма имеет преломляющий угол при вершине 30°. Основание призмы перпендикулярно ее входной грани. Оптическая ось призмы расположена в плоскости входной грани и лежит в одной горизонтальной плоскости с осью оптической системы под углом 90° к ней. Кристаллофизическая ось x также расположена в плоскости входной грани призмы и составляет угол 90° с ее оптической осью. Кристаллофизическая ось y совпадает с осью оптической системы. Главная плоскость призмы содержит ее оптическую ось и падающий луч. При этом расположение главной плоскости зависит от направления падающего луча. Оптическая ось призмы составляет угол 45° с осью пропускания поляризатора.

Анализатор выполнен с возможностью вращения вокруг оси оптической системы.

Работа устройства для определения оптического знака кристалла заключается в следующем.

Монохроматическое излучение пропускается вдоль оси оптической системы через рассеиватель, который преобразует параллельное монохроматическое излучение в сходящееся монохроматическое излучение. Далее такое излучение подается на поляризатор, который преобразует излучение в сходящееся монохроматическое линейно поляризованное излучение с направлением вектора Е под углом 45° к оптической оси призмы. Преобразованное излучение подается на призму, в которой разбивается на два луча - обыкновенный и необыкновенный с равными амплитудами колебаний векторов Е (E_о=Е_е) и совпадающим направлением распространения. На выходе из призмы обыкновенный и необыкновенный лучи отклоняются друг от друга и от нормали к выходной грани, что обусловлено законом преломления лучей. При этом луч с бóльшим показателем преломления отклонится на бóльший угол от нормали, а луч с меньшим показателем преломления отклонится на меньший угол от нормали. В результате на экране появляются две светлые точки.

Для определения вида луча проводится наблюдение за изменением интенсивности каждой точки на экране при вращении анализатора.

При уменьшении интенсивности точки на экране при некотором положении анализатора до минимального значения, равного нулю, делается вывод о линейной поляризации луча с направлением вектора Е, перпендикулярным оси пропускания анализатора.

При расположении вектора Е луча перпендикулярно главной плоскости призмы исследуемый луч является обыкновенным. При расположении вектора Е луча в главной плоскости призмы исследуемый луч является необыкновенным.

Для определения оптического знака кристалла измеряется угол отклонения каждого луча от нормали к выходной грани и сравнивается с углом отклонения другого луча. По углам отклонения обыкновенного и необыкновенного лучей от нормали к выходной грани призмы делается вывод об оптическом знаке исследуемого кристалла. При α_е>α_о оптический знак кристалла является положительным. При α_е<α_о оптический знак кристалла является отрицательным.

Достоинством известного устройства 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, обусловленное следующими факторами: определенной ориентацией оптической оси призмы, определенным видом излучения и величиной двулучепреломления кристалла, из которого изготовлена призма.

Во-первых, определить оптический знак кристалла можно только для призм с определенной ориентацией оптической оси кристалла, а именно: только при параллельном расположении оптической оси кристалла к плоскости входной грани призмы, что является недостатком известного устройства.

При перпендикулярном расположении оптической оси кристалла к плоскости входной грани призмы определить оптический знак не представляется возможным. Это обусловлено тем, что луч, входящий в призму в направлении оптической оси, не разбивается на обыкновенный и необыкновенный лучи и на выходе из призмы проецируется на экран в виде одной точки, что не позволяет определить вид лучей и сравнить их углы отклонения от нормали.

Во-вторых, 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.

В-третьих, 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 устройство для определения оптического знака кристалла [2], которое основано на изменении коноскопической картины исследуемого кристалла и которое устраняет недостатки вышеописанного аналога.

Устройство для определения оптического знака кристалла содержит последовательно расположенные источник монохроматического излучения, рассеиватель, поляризатор, исследуемую кристаллическую пластинку, подвижный кварцевый клин с положительным оптическим знаком, анализатор и экран, установленные перпендикулярно оси оптической системы.

Кварцевый клин с положительным оптическим знаком представляет собой удлиненную клинообразную кварцевую пластинку, вырезанную таким образом, что оптическая ось кварца расположена в плоскости входной грани перпендикулярно его длинной стороне, является медленной осью и составляет угол 90° с осью оптической системы. Быстрая ось также расположена в плоскости входной грани клина и составляет угол 90° с его оптической осью.

Подвижный кварцевый клин установлен с возможностью его перемещения тонким концом в направлении, перпендикулярном оси оптической системы.

Анализатор с перпендикулярной к поляризатору осью пропускания расположен после исследуемой пластинки и клина и пропускает компоненты от векторов Е обыкновенного и необыкновенного лучей, сводя их в одну плоскость и позволяя интерферировать между собой. Результатом интерференции лучей является коноскопическая картина, получаемая на экране.

Исследуемая кристаллическая пластинка может быть выполнена с различным расположением оптической оси кристалла относительно входной грани пластинки, что влияет на ее коноскопическую картину.

Первый вариант. Исследуемая кристаллическая пластинка вырезана из кристалла, оптическая ось которого расположена перпендикулярно входной грани пластинки и сонаправлена с осью оптической системы. Две другие оси лежат в плоскости входной грани и составляют угол 90°. Одна из осей совпадает с горизонтальной кристаллофизической осью y и лежит в одной горизонтальной плоскости с осью оптической системы под углом 90° к ней. Другая ось совпадает с вертикальной кристаллофизической осью x и составляет угол 90° с оптической осью.

Оптическая ось кварцевого клина составляет угол 90° с оптической осью исследуемой пластинки.

После анализатора на экране коноскопическая картина 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.

Второй вариант. Кристаллическая пластинка вырезана из исследуемого кристалла, оптическая ось которого расположена в плоскости входной грани пластинки и составляет угол 90° с осью оптической системы. Оптическая ось пластинки совпадает с кристаллофизической вертикальной осью x и лежит в одной вертикальной плоскости с осью оптической системы под углом 90° к ней. Другая ось пластинки, совпадающая с горизонтальной кристаллофизической осью y, также расположена в плоскости входной грани и составляет угол 90° с ее оптической осью. Оптическая ось пластинки составляет угол 45° с осью пропускания поляризатора.

Оптическая ось кварцевого клина сонаправлена с оптической осью исследуемой пластинки.

После анализатора на экране коноскопическая картина представляет собой разделенные на четыре квадранта системы черных и светлых гипербол-изохром. При этом оси гипербол являются биссектрисами квадрантов.

Работа устройства для определения оптического знака кристалла заключается в следующем.

Первый вариант. Сходящееся монохроматическое излучение пропускается вдоль оси оптической системы через поляризатор, который преобразует излучение в сходящееся монохроматическое линейно поляризованное излучение. Преобразованное сходящееся излучение имеет направление вектора Е под углом 45° к осям x и y исследуемой пластинки. Попадая на пластинку, такое излучение разбивается в каждом направлении (кроме направления оси оптической системы) на два луча - обыкновенный и необыкновенный с равными амплитудами колебаний векторов Е (Е_о=Е_е), но с разными скоростями υ_о≠υ_е. При этом вектор Е_е расположен в главной плоскости в радиальном направлении относительно оси пучка, а вектор Е_о перпендикулярно главной плоскости в тангенциальном направлении. Обыкновенный и необыкновенный лучи, двигаясь с разными скоростями, приобретают на выходе из исследуемой пластинки фазовый сдвиг Δ₁. Величина фазового сдвига Δ₁ определяется углом падения луча в сходящемся пучке на входную грань пластинки. В целом излучение после кристаллической пластинки содержит лучи с различными фазовыми сдвигами.

Далее такое излучение подается на анализатор, после которого все лучи с различными фазовыми сдвигами становятся линейно поляризованными с направлением вектора Е, параллельным оси пропускания анализатора. На экране получается коноскопическая картина исследуемой кристаллической пластинки.

Для изменения полученной коноскопической картины подвижный кварцевый клин вдвигается тонким концом перпендикулярно оси оптической системы. При постепенном перемещении клина изменяется фазовый сдвиг между обыкновенным и необыкновенным лучами в каждом направлении сходящегося излучения после кристаллической пластинки.

Лучи в клине приобретают дополнительный фазовый сдвиг Δ₂. Общий фазовый сдвиг на выходе из клина изменяется. При этом наблюдается смещение изохром на коноскопической картине.

В любой точке каждого квадранта коноскопической картины исследуемой пластинки необыкновенным лучам соответствует радиальное направление вектора Е_е относительно центра креста, а обыкновенным лучам соответствует тангенциальное направление вектора Е_о.

В противоположных квадрантах направления векторов Е_о обыкновенного луча и Е_е необыкновенного луча одинаковы.

В смежных квадрантах направления векторов Е_о обыкновенного луча и Е_е необыкновенного луча взаимно перпендикулярны.

В одной паре противоположных квадрантов, вдоль которых перемещается клин, направление вектора Е_е в клине совпадает с направлением Е_о в пластинке и, наоборот, направление вектора Е_о в клине совпадает с направлением вектора Е_е в пластинке. Необыкновенный луч с вектором Е_е в клине всегда является медленным, а обыкновенный луч с вектором Е_о всегда является быстрым.

При совпадении оптических знаков исследуемой пластинки и клина для двух квадрантов, расположенных вдоль перемещения клина, направление вектора Е_о более быстрого луча в пластинке совпадает с направлением вектора Е_е более медленного луча в клине. При этом происходит уменьшение фазовых сдвигов обыкновенного и необыкновенного лучей. При этом общий фазовый сдвиг равен Δ=Δ₁-Δ₂.

В другой паре противоположных квадрантов направление вектора Е_о более быстрого луча в пластинке совпадает с направлением вектора Е_о более быстрого луча в клине. Луч с вектором Е_е, отстававший в пластинке, отстает и в клине. Общий фазовый сдвиг Δ, возникающий в результате прохождения излучения через пластинку и клин, равен сумме фазовых сдвигов Δ=Δ₁+Δ₂.

При несовпадении оптических знаков исследуемой пластинки и клина для двух квадрантов, расположенных вдоль вдвигания клина, направление вектора Е_о более медленного луча в пластинке совпадает с направлением вектора Е_е более медленного луча в клине. Общий фазовый сдвиг Δ, возникающий в результате прохождения излучения через пластинку и клин, равен сумме фазовых сдвигов Δ=Δ₁+Δ₂.

В другой паре противоположных квадрантов направление вектора Е_о более быстрого луча в пластинке совпадает с направлением вектора Е_е более медленного луча в клине. При этом происходит уменьшение фазовых сдвигов обыкновенного и необыкновенного лучей. При этом общий фазовый сдвиг равен Δ=Δ₁-Δ₂.

Изменение фазового сдвига приводит к смещению колец-изохром в соответствующих квадрантах на коноскопической картине. По направлению смещения колец-изохром судят о знаке исследуемой кристаллической пластинки.

При смещении колец-изохром от центра к периферии в квадрантах, лежащих вдоль клина, и смещении колец-изохром от периферии к центру в двух других противоположных квадрантах оптический знак исследуемой кристаллической пластинки является положительным.

При противоположном направлении смещения колец-изохром оптический знак исследуемой кристаллической пластинки является отрицательным.

Второй вариант. Сходящееся монохроматическое излучение пропускается вдоль оси оптической системы через поляризатор, который преобразует излучение в сходящееся монохроматическое линейно поляризованное излучение. Преобразованное сходящееся излучение имеет направление вектора Е под углом 45° к оптической оси исследуемой пластинки. Попадая на пластинку, такое излучение разбивается в каждом направлении на два луча - обыкновенный и необыкновенный с равными амплитудами колебаний векторов Е (E_о=Е_е), но с разными скоростями υ_о≠υ_е. При этом вектор Е_е расположен в главной плоскости и совпадает с направлением оптической оси пластинки, а вектор Е_о расположен перпендикулярно главной плоскости и совпадает с направлением кристаллофизической оси y. Обыкновенный и необыкновенный лучи, двигаясь с разными скоростями, приобретают на выходе из исследуемой пластинки фазовый сдвиг Δ₁. Величина фазового сдвига Δ₁ определяется углом падения луча в сходящемся пучке на входную грань пластинки. В целом излучение после кристаллической пластинки содержит лучи с различными фазовыми сдвигами.

Так как оси пластинки и клина сонаправлены, то при совпадении их оптических знаков направления векторов Е_о более быстрого и Е_е более медленного лучей в пластинке и в клине также совпадают. Луч, отстававший в пластинке, отстает и в клине. Общий фазовый сдвиг Δ, возникающий в результате прохождения излучения через пластинку и клин, равен сумме фазовых сдвигов Δ=Δ₁+Δ₂.

При несовпадении оптических знаков пластинки и клина направление вектора Е_е более быстрого луча в пластинке совпадает с направлением вектора Е_е более медленного луча в клине. Общий фазовый сдвиг Δ, возникающий в результате прохождения излучения через пластинку и клин, равен разности фазовых сдвигов Δ=Δ₁-Δ₂.

Это приводит к смещению гипербол-изохром в соответствующих квадрантах на коноскопической картине. По направлению смещения гипербол-изохром судят о знаке исследуемой кристаллической пластинки.

При смещении гипербол-изохром в квадрантах, расположенных вдоль клина, от периферии к центру, а в двух других квадрантах - к периферии поля зрения оптический знак исследуемой кристаллической пластинки является положительным.

При противоположном смещении гипербол-изохром оптический знак исследуемой кристаллической пластинки является отрицательным.

Достоинством известного устройства для определения оптического знака кристалла как с перпендикулярным, так и с параллельным расположением оптической оси кристалла относительно его входной грани является устранение всех недостатков вышеописанного аналога.

Во-первых, известное устройство позволяет определить оптический знак для кристаллов как с перпендикулярным, так и с параллельным расположением оптической оси кристалла относительно его входной грани. Это обусловлено тем, что и в первом, и во втором вариантах на экране получается коноскопическая картина, по направлению смещения изохром которой определяется оптический знак кристалла.

Во-вторых, известное устройство позволяет определить в любом сходящемся пучке излучения оптический знак кристалла как в первом, так и во втором вариантах выполнения исследуемой кристаллической пластинки. 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.

В-третьих, известное устройство позволяет определить оптический знак для кристаллов в первом и во втором вариантах 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 снижается для любых кристаллов с различной ориентацией оптической оси относительно входной грани кристалла. Это обусловлено тем, что определение оптического знака осуществляется по коноскопической картине, являющейся результатом наложения коноскопической картины исследуемого кристалла и искаженной коноскопической картины кварцевого клина. Суммарная коноскопическая картина затрудняет определение направления смещения изохром коноскопической картины исследуемого кристалла вследствие образования ряби при смещении изохром клина относительно изохром исследуемого кристалла.

Кроме того, для определения оптического знака кристалла используется дорогостоящее из-за трудоемкости изготовления кварцевого клина оборудование, что является другим недостатком.

Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке устройства, позволяющего повысить достоверность определения оптического знака кристалла с различной ориентацией оптической оси относительно его входной грани благодаря получению четкой коноскопической картины.

Для решения поставленной задачи в устройстве для определения оптического знака кристалла, содержащем установленные перпендикулярно оси оптической системы и последовательно расположенные источник монохроматического излучения, рассеиватель, поляризатор, исследуемую кристаллическую пластинку, анализатор, экран и компенсатор с известным оптическим знаком, выполненный с возможностью перемещения, при этом оси пропускания поляризатора и анализатора расположены перпендикулярно друг к другу, компенсатор и рассеиватель установлены последовательно между поляризатором и исследуемой кристаллической пластинкой, при этом компенсатор выполнен в виде плоскопараллельной пластинки с известным оптическим знаком с возможностью вращения вокруг своей вертикальной оптической оси.

Наличие существенных отличительных признаков в заявляемом решении свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «новизна».

Благодаря выполнению компенсатора в виде плоскопараллельной пластинки и установке компенсатора и рассеивателя последовательно между поляризатором и исследуемой пластинкой достоверность определения оптического знака кристалла с различной ориентацией оптической оси относительно его входной грани повышается и расширяются функциональные возможности определения оптического знака.

Это достигается прохождением сходящегося пучка излучения только через исследуемую кристаллическую пластинку. При этом исключается коноскопическая картина компенсатора, и на экране получается коноскопическая картина исследуемой кристаллической пластинки. В результате коноскопическая картина становится четкой, и при вращении компенсатора наблюдается визуальное изменение коноскопической картины на экране, что позволяет определить оптический знак кристалла с различной ориентацией оптической оси относительно его входной грани.

Возможность определения оптического знака для любых кристаллов не вытекает из известного уровня техники, что свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

На фиг.1 представлена схема устройства для определения оптического знака кристалла.

На фиг.2 приведена таблица коноскопических картин для различных исследуемых кристаллов и компенсаторов.

Устройство для определения оптического знака кристалла содержит последовательно расположенные источник монохроматического излучения 1, поляризатор 2, компенсатор 3, рассеиватель 4, исследуемую кристаллическую пластинку 5, анализатор 6 и экран 7.

Все элементы системы установлены перпендикулярно ее оптической оси.

Оси пропускания поляризатора 2 и анализатора 6 расположены взаимно перпендикулярно.

Компенсатор 3 может быть выполнен из кристалла с любым известным оптическим знаком и различным расположением оптической оси относительно входной грани компенсатора. Компенсатор 3 представляет собой плоскопараллельную пластинку толщиной d. Компенсатор 3 установлен с возможностью поворота вокруг его вертикальной кристаллофизической оси.

Рассеиватель 4 представляет собой матовую стеклянную пластинку.

Исследуемая кристаллическая пластинка 5 может быть выполнена с различным расположением оптической оси кристалла относительно входной грани пластинки, что влияет на ее коноскопическую картину.

Традиционно оптический знак определяется по направлению смещения изохром по отношению к центру коноскопической картины.

На определение оптического знака влияет оптический знак компенсатора и расположение оптической оси исследуемой кристаллической пластинки относительно ее входной грани.

Пример 1. Устройство для определения оптического знака кристалла содержит конструктивные элементы, как описано выше.

Компенсатор выбран с положительным оптическим знаком и параллельным расположением оптической оси кристалла относительно входной грани. Оптическая ось компенсатора 3 расположена в плоскости входной грани, является медленной осью, совпадающей с вертикальной кристаллофизической осью x, и лежит в одной вертикальной плоскости с осью оптической системы под углом 90° к ней. Горизонтальная кристаллофизическая ось у является быстрой осью компенсатора 3 и составляет угол 90° с медленной осью в плоскости входной грани. Оптическая ось компенсатора 3 составляет угол 45° с осью пропускания поляризатора 2.

Исследуемая кристаллическая пластинка 5 вырезана из кристалла, оптическая ось которого расположена перпендикулярно входной грани пластинки и сонаправлена с осью оптической системы. Две другие оси лежат в плоскости входной грани и составляют угол 90°. Одна из осей совпадает с горизонтальной кристаллофизической осью y и лежит в одной горизонтальной плоскости с осью оптической системы под углом 90° к ней. Другая ось совпадает с вертикальной кристаллофизической осью x и составляет угол 90° с оптической осью.

Оптическая ось исследуемой пластинки 5 составляет угол 90° с оптической осью компенсатора 3.

Работа устройства для определения оптического знака кристалла осуществляется следующим образом.

Параллельное монохроматическое излучение пропускается вдоль оси оптической системы через поляризатор 2, который преобразует излучение в параллельное монохроматическое линейно поляризованное излучение с направлением вектора Е под углом 45° к осям компенсатора 3. Преобразованное излучение подается на компенсатор 3, в котором разбивается на два луча - обыкновенный и необыкновенный. Эти лучи распространяются в одном направлении, имеют равные вектора Е (Е_о=Е_е), но различные скорости распространения υ_о>υ_е. При этом обыкновенный и необыкновенный лучи на выходе из компенсатора 3 приобретают фазовый сдвиг Δ₁, определяемый длиной оптического пути, равной толщине компенсатора d.

Полученное излучение с фазовым сдвигом Δ₁ падает на рассеиватель 4, после которого излучение становится сходящимся. Сходящееся излучение представляет собой конус лучей с фазовым сдвигом Δ₁. Далее такое излучение попадает на исследуемую кристаллическую пластинку 5, в которой обыкновенный и необыкновенный лучи, двигаясь с разными скоростями, приобретают дополнительный фазовый сдвиг Δ₂. Величина фазового сдвига Δ₂ зависит от угла падения луча α в сходящемся пучке на входную грань исследуемой кристаллической пластинки 5 и определяется длиной оптического пути d/cosα. В целом сходящееся излучение после исследуемой кристаллической пластинки 5 содержит лучи с различными фазовыми сдвигами.

Далее такое излучение падает на анализатор 6, после которого все лучи с различными фазовыми сдвигами становятся линейно поляризованными с направлением вектора Е, параллельным оси пропускания анализатора 6. На экране 7 получается четкая коноскопическая картина только исследуемой кристаллической пластинки 5.

Эта коноскопическая картина после анализатора 6 на экране 7 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 2 и анализатора 6 и делят поле картины на четыре квадранта.

Для изменения коноскопической картины исследуемой кристаллической пластинки 5 компенсатор 3 поворачивается вокруг своей вертикальной оптической оси. При повороте нормаль к компенсатору 3 отклоняется от направления излучения на угол β, при этом увеличивается длина оптического пути, пройденного параллельным излучением, до значения d/cosβ. Обыкновенный и необыкновенный лучи в компенсаторе 3 приобретают фазовый сдвиг Δ₁′.

При постепенном повороте компенсатора 3 на угол 0°<β<45° против часовой стрелки непрерывно увеличивается длина оптического пути, пройденного излучением, до значения d/cos45°. Это приводит к непрерывному увеличению фазового сдвига параллельного излучения на выходе из компенсатора 3.

Параллельное излучение с непрерывно меняющимся фазовым сдвигом Δ₁′ падает на рассеиватель 4, после которого излучение становится сходящимся и представляет собой конус лучей с фазовым сдвигом Δ₁′.

Далее такое излучение падает на исследуемую кристаллическую пластинку 5, в которой в каждом направлении обыкновенный и необыкновенный лучи, двигаясь с разными скоростями, приобретают дополнительный фазовый сдвиг Δ₂. Величина фазового сдвига Δ₂ зависит от угла падения луча α в сходящемся пучке на входную грань исследуемой кристаллической пластинки 5 и определяется длиной оптического пути d/cosα. В целом сходящееся излучение после исследуемой кристаллической пластинки 5 содержит лучи с различными фазовыми сдвигами. Общий фазовый сдвиг для данного угла падения луча на выходе из кристаллической пластинки Δ зависит от непрерывно изменяющегося значения Δ₁′ и постоянной величины Δ₂.

При этом наблюдается непрерывное смещение изохром на коноскопической картине исследуемой кристаллической пластинки.

В любой точке каждого квадранта коноскопической картины исследуемой пластинки необыкновенным лучам соответствует радиальное направление вектора Е_е относительно центра креста, а обыкновенным лучам соответствует тангенциальное направление вектора Е_о.

В противоположных квадрантах направления векторов Е_о обыкновенного луча и Е_е необыкновенного луча одинаковы.

В смежных квадрантах направления векторов Е_о обыкновенного луча и Е_е необыкновенного луча взаимно перпендикулярны.

В горизонтальной паре противоположных квадрантов направление вектора Е_е в компенсаторе совпадает с направлением Е_о в пластинке и, наоборот, направление вектора Е_о в компенсаторе совпадает с направлением вектора Е_е в пластинке. Необыкновенный луч с вектором Е_е в компенсаторе всегда является медленным, а обыкновенный луч с вектором Е_о всегда является быстрым.

При совпадении оптических знаков исследуемой пластинки и компенсатора для двух горизонтальных квадрантов направление вектора Е_е более медленного луча в компенсаторе совпадает с направлением вектора Е_о более быстрого луча в пластинке. При этом происходит уменьшение фазовых сдвигов обыкновенного и необыкновенного лучей. Общий фазовый сдвиг равен Δ=Δ₁′-Δ₂.

В другой паре противоположных квадрантов направление вектора Е_о более быстрого луча в компенсаторе совпадает с направлением вектора Е_о более быстрого луча в пластинке. Луч с вектором Е_е, отстававший в компенсаторе, отстает и в пластинке. Общий фазовый сдвиг Δ, возникающий в результате прохождения излучения через компенсатор и пластинку, равен сумме фазовых сдвигов Δ=Δ₁′+Δ₂.

Изменение фазового сдвига приводит к смещению колец-изохром в соответствующих квадрантах на коноскопической картине. По направлению смещения колец-изохром судят о знаке исследуемой кристаллической пластинки.

При смещении колец-изохром от центра к периферии в горизонтальных квадрантах и смещении колец-изохром от периферии к центру в двух других противоположных квадрантах оптический знак исследуемой кристаллической пластинки является положительным.

При несовпадении оптических знаков исследуемой пластинки и компенсатора для двух горизонтальных квадрантов направление вектора Е_е более медленного луча в компенсаторе совпадает с направлением вектора Е₀ более медленного луча в пластинке. Общий фазовый сдвиг Δ, возникающий в результате прохождения излучения через компенсатор и пластинку, равен сумме фазовых сдвигов Δ=Δ₁′+Δ₂.

В другой паре противоположных квадрантов направление вектора Е_е более медленного луча в компенсаторе совпадает с направлением вектора Е_о более быстрого луча в пластинке. При этом происходит уменьшение фазовых сдвигов обыкновенного и необыкновенного лучей. Общий фазовый сдвиг равен Δ=Δ₁′-Δ₂.

Изменение фазового сдвига приводит к смещению колец-изохром в соответствующих квадрантах на коноскопической картине. По направлению смещения колец-изохром судят о 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 оптический знак исследуемой кристаллической пластинки является отрицательным.

Пример 2. Устройство для определения оптического знака кристалла содержит конструктивные элементы, как описано выше.

Компенсатор выбран с положительным оптическим знаком и параллельным расположением оптической оси кристалла относительно входной грани. Оптическая ось компенсатора 3 расположена в плоскости входной грани, является медленной осью, совпадающей с вертикальной кристаллофизической осью x, и лежит в одной вертикальной плоскости с осью оптической системы под углом 90° к ней. Горизонтальная кристаллофизическая ось у является быстрой осью компенсатора 3 и составляет угол 90° с медленной осью в плоскости входной грани. Оптическая ось компенсатора 3 составляет угол 45° с осью пропускания поляризатора 2.

Исследуемая кристаллическая пластинка 5 вырезана из кристалла, оптическая ось которого расположена параллельно плоскости входной грани пластинки и составляет угол 90° с осью оптической системы. Оптическая ось пластинки 5 совпадает с кристаллофизической вертикальной осью x и лежит в одной вертикальной плоскости с осью оптической системы под углом 90° к ней. Другая ось пластинки 5, совпадающая с горизонтальной кристаллофизической осью y, также расположена в плоскости входной грани и составляет угол 90° с ее оптической осью. Оптическая ось компенсатора 3 сонаправлена с оптической осью исследуемой пластинки 5.

Работа устройства для определения оптического знака кристалла осуществляется следующим образом.

Параллельное монохроматическое излучение пропускается вдоль оси оптической системы через поляризатор 2, который преобразует излучение в параллельное монохроматическое линейно поляризованное излучение с направлением вектора Е под углом 45° к осям компенсатора 3. Преобразованное излучение падает на компенсатор 3, в котором разбивается на два луча - обыкновенный и необыкновенный. Эти лучи распространяются в одном направлении, имеют равные вектора Е (Е_о=Е_е), но различные скорости распространения υ_о>υ_e. При этом обыкновенный и необыкновенный лучи на выходе из компенсатора 3 приобретают фазовый сдвиг Δ₁, определяемый длиной оптического пути, равной толщине компенсатора d.

Полученное излучение с фазовым сдвигом Δ₁ попадает на рассеиватель 4, после которого излучение становится сходящимся. Сходящееся излучение представляет собой конус лучей с фазовым сдвигом Δ₁. Далее такое излучение падает на исследуемую кристаллическую пластинку 5, в которой обыкновенный и необыкновенный лучи, двигаясь с разными скоростями, приобретают дополнительный фазовый сдвиг Δ₂. Величина фазового сдвига Δ₂ зависит от угла падения луча α в сходящемся пучке на входную грань исследуемой кристаллической пластинки 5 и определяется длиной оптического пути d/cosα. В целом сходящееся излучение после исследуемой кристаллической пластинки 5 содержит лучи с различными фазовыми сдвигами.

Далее такое излучение падает на анализатор 6, после которого все лучи с различными фазовыми сдвигами становятся линейно поляризованными с направлением вектора Е, параллельным оси пропускания анализатора 6. На экране 7 получается четкая коноскопическая картина только исследуемой кристаллической пластинки 5.

Эта коноскопическая картина после анализатора 6 на экране 7 представляет собой разделенные на четыре квадранта системы черных и светлых гипербол-изохром. При этом оси гипербол являются биссектрисами квадрантов.

Для изменения коноскопической картины исследуемой кристаллической пластинки 5 компенсатор 3 поворачивается вокруг своей вертикальной оптической оси. При повороте нормаль к компенсатору 3 отклоняется от направления излучения на угол β, при этом увеличивается длина оптического пути, пройденного параллельным излучением, до значения d/cosβ. Обыкновенный и необыкновенный лучи в компенсаторе 3 приобретают фазовый сдвиг Δ₁′.

При постепенном повороте компенсатора 3 на угол 0°<β<45° против часовой стрелки непрерывно увеличивается длина оптического пути, пройденного излучением, до значения d/cos45°. Это приводит к непрерывному увеличению фазового сдвига параллельного излучения на выходе из компенсатора 3.

Параллельное излучение с непрерывно меняющимся фазовым сдвигом Δ₁′ попадает на рассеиватель 4, после которого излучение становится сходящимся и представляет собой конус лучей с фазовым сдвигом Δ₁′.

Далее такое излучение падает на исследуемую кристаллическую пластинку 5, в которой в каждом направлении обыкновенный и необыкновенный лучи, двигаясь с разными скоростями, приобретают дополнительный фазовый сдвиг Δ₂. Величина фазового сдвига Δ₂ зависит от угла падения луча α в сходящемся пучке на входную грань исследуемой кристаллической пластинки 5 и определяется длиной оптического пути d/cosα. В целом сходящееся излучение после исследуемой кристаллической пластинки 5 содержит лучи с различными фазовыми сдвигами. Общий фазовый сдвиг для данного угла падения луча на выходе из кристаллической пластинки Δ зависит от непрерывно изменяющегося значения Δ₁′ и постоянной величины Δ₂.

Так как оси компенсатора 3 и исследуемой пластинки 5 сонаправлены, то при совпадении их оптических знаков направления векторов Е_о более быстрого и Е_е более медленного лучей в компенсаторе 3 и в пластинке 5 также совпадают. Луч, отстававший в компенсаторе 3, отстает и в пластинке 5. Общий фазовый сдвиг Δ, возникающий в результате прохождения излучения через компенсатор 3 и пластинку 5, равен сумме фазовых сдвигов Δ=Δ₁′+Δ₂.

Это приводит к смещению гипербол-изохром в соответствующих квадрантах на коноскопической картине исследуемой кристаллической пластинки 5. По направлению смещения гипербол-изохром судят о знаке исследуемой кристаллической пластинки 5.

При смещении гипербол-изохром в горизонтально расположенных квадрантах от периферии к центру, а в двух других квадрантах - к периферии поля зрения оптический знак исследуемой кристаллической пластинки 5 является положительным.

При несовпадении оптических знаков компенсатора 3 и исследуемой пластинки 5 направление вектора Е_е более быстрого луча в компенсаторе 3 совпадает с направлением вектора Е_е более медленного луча в пластинке 5. Общий фазовый сдвиг Δ, возникающий в результате прохождения излучения через компенсатор 3 и пластинку 5, равен разности фазовых сдвигов Δ=Δ₁′-Δ₂.

Это приводит к смещению гипербол-изохром в соответствующих квадрантах на коноскопической картине исследуемой кристаллической пластинки 5. По направлению смещения гипербол-изохром судят о знаке исследуемой кристаллической пластинки 5.

При смещении гипербол-изохром в горизонтально расположенных квадрантах от центра к периферии, а в двух других квадрантах - от периферии поля зрения к центру оптический знак исследуемой кристаллической пластинки 5 является отрицательным.

Пример 3. Устройство для определения оптического знака кристалла содержит конструктивные элементы, как описано выше.

Компенсатор 3 выбран с положительным оптическим знаком и перпендикулярным расположением оптической оси кристалла относительно входной грани. Оптическая ось компенсатора сонаправлена с осью оптической системы. Две другие оси лежат в плоскости входной грани и составляют угол 90°. Одна из осей совпадает с горизонтальной кристаллофизической осью y и лежит в одной горизонтальной плоскости с осью оптической системы под углом 90° к ней. Другая ось совпадает с вертикальной кристаллофизической осью x и составляет угол 90° с оптической осью.

Исследуемая кристаллическая пластинка 5 вырезана из кристалла, оптическая ось которого расположена перпендикулярно входной грани пластинки и сонаправлена с осью оптической системы. Две другие оси лежат в плоскости входной грани и составляют угол 90°. Одна из осей совпадает с горизонтальной кристаллофизической осью у и лежит в одной горизонтальной плоскости с осью оптической системы под углом 90° к ней. Другая ось совпадает с вертикальной кристаллофизической осью x и составляет угол 90° с оптической осью.

Оптическая ось исследуемой пластинки 5 сонаправлена с оптической осью компенсатора 3.

Работа устройства и определение оптического знака кристалла осуществляются, как в примере 1.

Пример 4. Устройство для определения оптического знака кристалла содержит конструктивные элементы, как описано выше.

Компенсатор 3 выбран с положительным оптическим знаком и перпендикулярным расположением оптической оси кристалла относительно входной грани. Оптическая ось компенсатора сонаправлена с осью оптической системы. Две другие оси лежат в плоскости входной грани и составляют угол 90°. Одна из осей совпадает с горизонтальной кристаллофизической осью y и лежит в одной горизонтальной плоскости с осью оптической системы под углом 90° к ней. Другая ось совпадает с вертикальной кристаллофизической осью x и составляет угол 90° с оптической осью.

Исследуемая кристаллическая пластинка 5 вырезана из кристалла, оптическая ось которого расположена параллельно плоскости входной грани пластинки и составляет угол 90° с осью оптической системы. Оптическая ось пластинки 5 совпадает с кристаллофизической вертикальной осью x и лежит в одной вертикальной плоскости с осью оптической системы под углом 90° к ней. Другая ось пластинки 5, совпадающая с горизонтальной кристаллофизической осью y, также расположена в плоскости входной грани и составляет угол 90° с ее оптической осью. Оптическая ось исследуемой пластинки 5 составляет угол 90° с оптической осью компенсатора 3.

Работа устройства и определение оптического знака кристалла осуществляются, как в примере 2.

Пример 5. Устройство для определения оптического знака кристалла содержит конструктивные элементы, как описано выше.

Компенсатор 3 выбран с отрицательным оптическим знаком и параллельным расположением оптической оси кристалла относительно входной грани. Оптическая ось компенсатора 3 расположена в плоскости входной грани, является медленной осью, совпадающей с вертикальной кристаллофизической осью x, и лежит в одной вертикальной плоскости с осью оптической системы под углом 90° к ней. Горизонтальная кристаллофизическая ось y является быстрой осью компенсатора 3 и составляет угол 90° с медленной осью в плоскости входной грани. Оптическая ось компенсатора 3 составляет угол 45° с осью пропускания поляризатора 2.

Исследуемая кристаллическая пластинка 5 вырезана из кристалла, оптическая ось которого расположена перпендикулярно входной грани пластинки 5 и сонаправлена с осью оптической системы. Две другие оси лежат в плоскости входной грани и составляют угол 90°. Одна из осей совпадает с горизонтальной кристаллофизической осью y и лежит в одной горизонтальной плоскости с осью оптической системы под углом 90° к ней. Другая ось совпадает с вертикальной кристаллофизической осью x и составляет угол 90° с оптической осью.

Оптическая ось исследуемой пластинки 5 составляет угол 90° с оптической осью компенсатора 3.

Работа устройства для определения оптического знака кристалла осуществляется, как в примере 1.

Изменение оптического знака компенсатора приводит к тому, что кольца-изохромы смещаются в горизонтально расположенных квадрантах от периферии к центру, а в двух других квадрантах - к периферии поля зрения. Такое смещение свидетельствует о положительном оптическом знаке исследуемой кристаллической пластинки 5.

При смещении колец-изохром в горизонтально расположенных квадрантах от центра к периферии, а в двух других квадрантах - от периферии поля зрения к центру оптический знак исследуемой кристаллической пластинки 5 является отрицательным.

Пример 6. Устройство для определения оптического знака кристалла содержит конструктивные элементы, как описано выше.

Компенсатор 3 выбран с отрицательным оптическим знаком и параллельным расположением оптической оси кристалла относительно входной грани. Оптическая ось компенсатора 3 расположена в плоскости входной грани, является медленной осью, совпадающей с вертикальной кристаллофизической осью x, и лежит в одной вертикальной плоскости с осью оптической системы под углом 90° к ней. Горизонтальная кристаллофизическая ось y является быстрой осью компенсатора 3 и составляет угол 90° с медленной осью в плоскости входной грани. Оптическая ось компенсатора 3 составляет угол 45° с осью пропускания поляризатора 2.

Исследуемая кристаллическая пластинка 5 вырезана из кристалла, оптическая ось которого расположена параллельно плоскости входной грани пластинки и составляет угол 90° с осью оптической системы. Оптическая ось пластинки 5 совпадает с кристаллофизической вертикальной осью x и лежит в одной вертикальной плоскости с осью оптической системы под углом 90° к ней. Другая ось пластинки 5, совпадающая с горизонтальной кристаллофизической осью y, также расположена в плоскости входной грани и составляет угол 90° с ее оптической осью. Оптическая ось исследуемой пластинки 5 сонаправлена с оптической осью компенсатора 3.

Работа устройства для определения оптического знака кристалла осуществляется, как в примере 2.

Изменение оптического знака компенсатора приводит к тому, что гиперболы-изохромы смещаются в горизонтально расположенных квадрантах от центра к периферии, а в двух других квадрантах - от периферии поля зрения к центру. Это свидетельствует о положительном оптическом знаке исследуемой кристаллической пластинки 5.

При смещении гипербол-изохром в горизонтально расположенных квадрантах от периферии к центру, а в двух других квадрантах - к периферии поля зрения оптический знак исследуемой кристаллической пластинки 5 является отрицательным.

Пример 7. Устройство для определения оптического знака кристалла содержит конструктивные элементы, как описано выше.

Компенсатор 3 выбран с отрицательным оптическим знаком и перпендикулярным расположением оптической оси кристалла относительно входной грани. Оптическая ось компенсатора сонаправлена с осью оптической системы. Две другие оси лежат в плоскости входной грани и составляют угол 90°. Одна из осей совпадает с горизонтальной кристаллофизической осью y и лежит в одной горизонтальной плоскости с осью оптической системы под углом 90° к ней. Другая ось совпадает с вертикальной кристаллофизической осью x и составляет угол 90° с оптической осью.

Исследуемая кристаллическая пластинка 5 вырезана из кристалла, оптическая ось которого расположена перпендикулярно входной грани пластинки и сонаправлена с осью оптической системы. Две другие оси лежат в плоскости входной грани и составляют угол 90°. Одна из осей совпадает с горизонтальной кристаллофизической осью y и лежит в одной горизонтальной плоскости с осью оптической системы под углом 90° к ней. Другая ось совпадает с вертикальной кристаллофизической осью x и составляет угол 90° с оптической осью.

Оптическая ось исследуемой пластинки 5 сонаправлена с оптической осью компенсатора 3.

Работа устройства и определение оптического знака кристалла осуществляются, как в примере 5.

Пример 8. Устройство для определения оптического знака кристалла содержит конструктивные элементы, как описано выше.

Компенсатор 3 выбран с отрицательным оптическим знаком и перпендикулярным расположением оптической оси кристалла относительно входной грани. Оптическая ось компенсатора сонаправлена с осью оптической системы. Две другие оси лежат в плоскости входной грани и составляют угол 90°. Одна из осей совпадает с горизонтальной кристаллофизической осью у и лежит в одной горизонтальной плоскости с осью оптической системы под углом 90° к ней. Другая ось совпадает с вертикальной кристаллофизической осью x и составляет угол 90° с оптической осью.

Исследуемая кристаллическая пластинка 5 вырезана из кристалла, оптическая ось которого расположена параллельно плоскости входной грани пластинки и составляет угол 90° с осью оптической системы. Оптическая ось пластинки 5 совпадает с кристаллофизической вертикальной осью x и лежит в одной вертикальной плоскости с осью оптической системы под углом 90° к ней. Другая ось пластинки 5, совпадающая с горизонтальной кристаллофизической осью y, также расположена в плоскости входной грани и составляет угол 90° с ее оптической осью. Оптическая ось исследуемой пластинки 5 составляет угол 90° с оптической осью компенсатора 3.

Работа устройства и определение оптического знака кристалла осуществляются, как в примере 6.

Коноскопические картины, получаемые при всевозможных вариантах изготовления исследуемых кристаллических пластинок и компенсаторов, изображены в таблице, приведенной на фиг.2.

Использование заявляемого решения позволяет повысить по сравнению с прототипом достоверность определения оптического знака кристалла с различной ориентацией оптической оси относительно его входной грани, что расширяет функциональные возможности метода определения оптического знака кристалла и снижает технологические затраты для его определения.

Источники информации

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 / - М.: Наука, 1970. 155 с.

Устройство для определения оптического знака кристалла 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. Техническим результатом является повышение достоверности определения оптического знака кристалла с различной ориентацией оптической оси относительно его входной грани и расширение функциональных возможностей использования метода определения оптического знака кристалла. Устройство содержит установленные перпендикулярно оси оптической системы и последовательно расположенные источник монохроматического излучения, поляризатор, компенсатор, рассеиватель, исследуемую кристаллическую пластинку, анализатор и экран. Компенсатор выполнен в виде плоскопараллельной кристаллической пластинки с известным оптическим знаком и установлен с возможностью вращения вокруг своей кристаллофизической оси, перпендикулярной оси оптической системы. Оси пропускания поляризатора и анализатора расположены перпендикулярно друг к другу. 2 ил.

Устройство для определения оптического знака кристалла, содержащее установленные перпендикулярно оси оптической системы и последовательно расположенные источник монохроматического излучения, поляризатор, компенсатор с известным оптическим знаком, выполненный в виде плоскопараллельной пластинки с возможностью вращения вокруг своей вертикальной оптической оси, рассеиватель, исследуемую кристаллическую пластинку, анализатор и экран, при этом оси пропускания поляризатора и анализатора расположены перпендикулярно друг другу.