Способ измерения эллиптичностей, направлений обхода и азимутов осей эллипсов поляризации собственных волн в кристаллах и устройство для его реализации Советский патент 1983 года по МПК G01J4/04 

Изобретение относится к способам измерения оптических характеристик материалов, а точнее кристаллов, а именно к способам измерения параметров эллиптичной поляризации собствен ных волн в кристаллах. Известны способы и устройство для измерения параметров эллиптической поляризации собственных волн в кристаллах 13Однако эти способы и устройства не позволяют одновременного и непосредственного определения параметров эллиптической поляризаций собственны волн в кристаллах. Наиболее близким к изобретению техническим решение является способ измерения эллиптичностей, направлений обхода и азимутов осей эллипсов поляризации собственных волн в кристаллической пластинке, заключающийся в том, что на исследуемую кристаллическую пластинку направляют по норма ли поляризованное излучение, изменяют азимут его поляризации по отношению к исследуемой пластинке до совпа дения азимута поляризации вышедшего из пластинки излучения с азимутом падающего на пластинку излучения, из меряют данный азимут, а также устройство для измерения эллиптичностей направлений обхода и азимутов осей эллипсов поляризации собственных вол в кристаллах, содержащее последовательно расположенные по ходу луча поляризатор, кристаллодержатель, установленный с возможностью вращения вокруг оси пучка с отсчетным уст ройством, анализатор, причем поляризатор и анализатор установлены так, что их плоскости пропускания скрещены L - Недостатком известных способа и устройства является невозможность од новременного и непосредственного измерения эллиптичностей, направлений обхода эллипсов поляризации всех собственных волн в исследуемой кристаллической пластинке. Целью изобретения является непосредственное измерение эллиптичностей, направлений обхода и азимута осей эллипсов поляризации собственны волн в исследуемой кристаллической пластинке. Эта цель достигается тем, что со гласно способу измерения азимутов осей эллипсов поляризации собственн волн в кристаллической пластинке, з ключающемуся в том, что на исследуемую кристаллическую пластину направляют по нормали поляризованное излучение, изменяют азимут его поляризации по отношению к исследуемой пластине до совпадения азимута поляризации вышедшего из пластины излучения с азимутом падающего на пластину излучения, измеряют данный азимут, вырезают кристаллическую пластину так, чтобы нормаль к ней совпадала с направлением волновой нормали в кристалле, направляют по нормали на исследуемую кристаллическую пластину эллиптически поляризованное излучение, изменяют эллиптичность и направление обхода эллипса поляризации падающего излучения до полного совпадения состояний поляризаций падающего на пластину и выходящего из нее излучения и регистрируют эллиптичность и направление обхода эллипса поляризации в данном состоянии поляризации, соответствующие эллиптичности и направлению обхода собственных волн в кристаллической пластине, а в устpoiicTBe для измерения азимутов оси эллипсов поляризации собственных волн в кристаллах, содержащем последовательно расположенные по ходу луча поляризатор, кристаллодержатель, установленный с возможностью вращения вокруг оси пучка с отсчетным устройством, анализатор, причем поляризатор и анализатор установлены так, что их плоскости пропускания скрещены, после поляризатора расположен первый компенсатор, а перед анализатором расположен второй компенсатор, при этом главные оси компенсаторов составляют угол 5 с плоскостями пропускания поляризатора и анализатора, компенсаторы снабжены отсчетным устройством и связаны между собой так, что создают одинаковые по величине и противоположные по знаку разности фаз. На чертеже изображено предлагаемое устройство для измерения эллиптичности и азимута собственных волн в кристаллах с двумя спаренными компенсаторами Бабин.е-Солейля. Устройство содержит падающий луч 1 неподвижный поляризатор 2 с азимутом колебаний по отношению к вертикальной еси X, компенсационную пластину 3, неподвижный и подвижный 5 клинья первого компенсатора, лимб 6 со шкалой, отсчетный индекс 7, кристаллодержатель S укрепленный на лим бе 6 для установки измеряемой пластинки, измеряемую пластинку 9,компенсационную пластинку 10,неподвижный 11 и подвижный .12 клинья второго компен сатора, второй неподвижный поляризатор 13 с азимутом - kS, скрещенный с первым, выходящий из системы луч f скрещенные эллипсы 15 и 16 сечения о тической индикатрисы в кристаллах клиньев i и 5 и компенсаторов 11 и 12, эллипс поляризации первой собственной волны 17 в пластинке 9 с азимутом , и эллиптичностью К. Ьо ЭЛЛИПС 8 поляризации второй собственной волйы 18 с азимутом и .эллиптичностью К, i , деталь 19, связывающую жест ко подвижные клинья 5 и 12 с направляющей 20 движения, параллельной большой оси х эллипса 15 и малой оси yj эллипса 16, снабженную отсчет ным устройством со шкалой 21, направ ление Хц фиксированной большой оси эллипса поляризации света между компенсаторами. Работа конкретного примера выполнения предлагаемого устройство со спаренными компенсаторами Бабине-Солейля заключается в следующем. Падающий неполяризованный луч 1 за поляризатором 2 становится линейно поляризованным с направлением колеба ний, указанным двусторонней стрелкой к главным осям х ПОД углом первого компенсатора, состоящего из компенсационной пластинки 3, неподвижного и подвижного 5 клиньев. По этому при разности фаз в компенсаторе (f О и -iSu прошедший через него свет становится элдиптически поляризованным, причем эллиптичность эллипса поляризации будет зависеть OTd- ,,g..rf. а его большая ось имеет фиксированное направление X(j, параллельное направле нию колебаний в поляризаторе 2 при переменном О сГ +90 и перпендикулярное при +90° +lQO, а направ ление обхода по эллипсу -правое. При отрицательных о, т.е. при . большая ось параллельна х,, при -90 7 cf 7 -180 - перпендикулярна х,, а направление обхода по эллипсу левое. Следовательно, при изменении (f в первом компенсаторе при перемещении его подвижного клина 5 в пределах шкалы 21, соответствующих из10 менению cf в пределах -180° (, можно произвольно изменять эллиптичность эллипса поляризации в соответствующих пределах -1 к +1 при фиксированных направл1 ниях его осей. Так как мы определяем эллиптичность к bjo , как отношение малой Ь к большойсГ оси эллипса, то . К ef. а при 90 ,. к ctg- (Г/2, а получающийся при этом знак к будет соответствовать знаку (Г и будет определять направление обхода по эллипсу: при ff О, к О правое (правый эллипс), а при О О, - левое (левый эллипс). Направление обхода по эллипсу против часовой стрелки, если смотреть навстречу лучу, считается правым, а по часовой стрелке - левым. При отсутствии в системе пластин ки 9 эллиптически поляризованный свет после прохождения второго компенсатора, состоящего из компенсационной пластинки 10, неподвижного 11и подвижного 12 клиньев, приобретает первоначальнуЮдЛинейную поляризацию с направлением колебаний первого поляризатора 2 и полностью гасится на выходе вторым скрещенным поляризатором 13, так как разности фаз в обоих компенсаторах равны по величине, но противоположны по знаку, и их главные оси, т.е. оси эллипсов 15 и 16, скрацены х ххд,, y JLX;/, и поэтому они взаимно ско(«Гпёнсированы. Полное погасание луча 1 на выходе сохранится при совместном перемещении подвижных клиньев 5 и 11, жестко связанных деталью 19 между собой и с общей шкалой 21 разности фаз в первом компенсаторе,в При установке же в кристаллбдержатель 8 с лимбом 6 со шкалой пластинки 9с эллипсами собственных волн 17 и 18 в положении, указанном на чертеже, погасание луча 14 на выходе нарушается, и через систему проходит свет, так как падающий на пластинку 9 линейно поляризованный свет {при нулевом показании шкалы 21 и разности возбуждает в ней две собственные волны 1.7 и 18, которые распространяются с разными скоростями и могут в разной степени поглсицаться и на выходе из-пластинки в результате их сложения получается эллиптически поляризованный свет, который проходит через второйкомпенсатор (сГ О без изменения своей поляризации и поэтому не гасится вторым поляризатором 13. Такой же результат получается при любом другом положении подвижных клиньев 5 и 11 и на нулевом показании шкалы 21, при котором эллиптическая поляризация на выходе из пластинки 9 отличается от таковой на входе как по эллиптичности, так и, в общем случае, по азимуту большой оси. Условием сохранения эллиптической, поляризации на входе и выходе из пластинки 9 а следовательно, и условием полного погасания света на выходе является совпадение эллипсов поляризации падающего на нее света и одной из-собственных BorlH в пластинке как по азимутам больших их осей, так и по эллиптичное тям и направлениям обхода. Любое отклонение.от этого условия приводит к появлению света на выходе. Это уеловие вытекает из свойства каждой из собственных волн сохранять состояние своей поляризации при распространении в кристалле от его входной поверхности, где волны возбуждаются падающей волной и до выходной поверх ности, где они складываются снова в одну волну. Поэтому, если поляризация падающего на пластинку 9 света совпадает с поляризацией одной из двух собственных волн по азимуту большой оси, по эллиптичности и направлению обхода, то прошедший свет будет иметь то же самое состояние поляризации, как и падающий, т.е. как и в случае отсутствия пластинки в системе. На этом свойстве и основа предлагаемый способ измерения параметров поляризации собственных волн в пластинке 9, а именно, поворачивая пластинку 9 на угол р , как показан на чертеже, до совмеи(ения направления большой оси эллипса поляризации 17 первой собственной волны с на правлением большой оси Ху эллипса по ляризации света, падающего на пласти ку 9 со стороны первого компенсатора достигают минимума света на выходе из системы. Затем перемещают подвижные клинья 5 и 12, соответственно обозначенный пунктиром индекс шкалы 21 - из нулевого .положения на величину (f - разность фаз в первом компенсаторе, при которой эллиптичности и направления обхода эллипсов поляризации собственной волны 17 и падающего на пластинку 9 света полностью будут совпадать, а на выходе света из системы наступит полное его погасание Посредством этих двух измерительных операций определяется азимут Ь большой оси эллипса первой собственной волны 17, его эллиптичность к/, tg 3 -kq-cf/Q. и правое направление обхода по эллипсу первой собственной вблны 17, указанное стрелкой, соответствующее смещению индекса шкалы 21 в положительную сторону (+) на величину +(fj. Смещение же в отрицательную сторону (-) шкалы 21 соответствовало бы левому эллипсу первой собственной волны 17 с направлением обхода по часовой стрелке. С помощью аналогичных двух измерительных операций определяются азимут Э, разность фаз сГз: эллиптичность -Ь О/0-.и направление обхода по эллипсу второй собственной волны 18. Приведенное описание работы предлагаемого устройства доказывает впервые открывающуюся практическую возможность измерения..параметров поляризации собственных волн без пространственного из разделения в любых кристаллах, в том числе в кристаллах низших сингоний: триклинных,моноклинных, ромбических, обладающих линейным и циркулярным двупрепомлением (оптической активностью), линейным и циркулярным дихроизмом, систематичес1 ие экспериментальные исследования которых, а следовательно, и их практическое применение оставалось до настоящего времени невозможным, хотя класс указанных кристаллов низших сингоний значительно обширнее, чем средних и высших сингоний.

1. Способ измерения эллиптичностей, направлений обхода и азимутов осей эллипсов поляризации собственных волн в кристаллах, заключающийся в том, что на исследуемую кристаллическую пластинку направляют по нормали поляризованное излучение, изменяют азимут его поляризации по отношению к исследуемой пластине до совпадения : азимута поляризации вышедшего из пластины излучения с азимутом падающего на пластину излучения, измеряют данный азимут, отличающийся тем, что, с целью непосредственного измерения эллиптичностей, направлений обхода эллипсов поляризации собственных волн, в исследуемой кристаллической пластине вырезают кристаллическую пластину так, чтобы нормаль к ней совпадала с направлением волновой нормали в кристалле, направляют по нормали на исследуемую кристаллическую пластину эллиптически поляризованное излучение, изменяют эллиптичность и направление обхода эллипса поляризации падающего излучения до полного совпадения состояний поляризации падающего на пластину и выходящего из нее излучения и регистрируют эллиптичность и направление обхода эллипса поляризации, соответствующие эллиптичности и направлению обхода собственных волн в кристаллической пластине. 2. Устройство ,для измерения эллиптичностей, направлений обхода и азимутов, осей эллипс-ов поляризации § собственных волн в кристаллах, содерСО жаее последовательно расположенные по ходу луча поляризатор, кристаллодержатель, установленный с возможнодтью вращения вокруг оси пучка с от.счетным устройством, анализатор, причем поляризатор и анализатор установлень так, что их плоскости пропускания скрещены, отличающееся тем, что, с целью непосред о: ственного измерения эллиптичностей, со со направлений обхода эллипсов поляризации собственных волн в исследуемой кристаллической пластине, после поляризйтора расположен первый компенсатор, а перед анализатором расположен второй компенсатор, при этом -главные оси компенсаторов составляет угол kS с плоскостями пропускания поляризатора и анализатора, компенсаторы снабжены отсчетным устройством и связаны между собой так, что создают одинаковые по величине и противоположные по знаку разности фазы.