ТРАНСФОРМАЦИЯ КОНОСКОПИЧЕСКИХ КАРТИН КРИСТАЛЛА ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ
Трансформация коноскопических картин кристалла
55
УДК 535.512, 535.515
О. Ю. ПИКУЛЬ, Г. В. КУЛИКОВА, В. И. СТРОГАНОВ
ТРАНСФОРМАЦИЯ КОНОСКОПИЧЕСКИХ КАРТИН КРИСТАЛЛА ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ
Исследуется процесс трансформации коноскопической картины оптического кристалла при изменении месторасположения кристаллической фазовой пластинки λ/4 в оптической системе наблюдения. Приведены результаты экспериментов, проведенных для оптически активного кристалла ТеО2.
Ключевые слова: интерференция, коноскопическая картина, циркулярная поляризация, пластинка λ/4.
Исследование оптических свойств кристаллов с помощью интерференционного (коно-
скопического) метода представляет особый интерес в связи с возможностью получения до-
полнительной информации об их оптических параметрах и характеристиках [1, 2].
Коноскопическая картина, традиционно наблюдаемая в поляризационном микроскопе,
формируется излучением, проходящим через кристалл, который помещен между линейными
поляризатором и анализатором. Вместе с тем получить сильно сходящийся пучок лучей дос-
таточно трудно, тогда как при анализе тонких кристаллических пластинок необходимы пучки
с угловой апертурой порядка 100—120°. Если же угловая апертура составляет 20—30°, то в
поле зрения наблюдается только часть картины, например одна интерференционная полоса.
Кроме того, небольшой масштаб коноскопической картины, наблюдаемой в поляризацион-
ном микроскопе, малый размер кристаллов, а также узкое поле зрения, обусловленное не-
большой угловой апертурой светового пучка, ограничивают возможности применения коно-
скопического метода.
Использование схемы наблюдения коноскопических картин в сильно расходящихся
пучках [3] позволяет расширить функциональные возможности коноскопического метода
(рис. 1). Излучение He—Ne-лазера 1, пропущенное через поляризатор 2 и рассеиватель 3, про-
ходит через исследуемую кристаллическую пластинку 4 и на выходе анализатора 5 образует
на экране 6 крупномасштабную коноскопическую картину. Такая схема наблюдения позволя-
ет применять коноскопический метод при исследовании оптических свойств кристаллов, при
этом можно изменять форму поляризации излучения и использовать циркулярно и эллипти-
чески поляризованное излучение; кроме того, такая схема позволяет исследовать влияние уг-
лового распределения интенсивности световых пучков на коноскопическую картину; обеспе-
чить возможность наблюдения двойных коноскопических картин; исследовать интерферен-
ционные явления в системе из нескольких оптических элементов, в том числе с оптическими
кварцевыми линзами.
2 45 3
6
1
Рис. 1
Кристаллическая фазовая пластинка λ/4 достаточно часто применяется в поляризационных измерениях для получения циркулярного излучения. Использование такой пластинки при реализации коноскопического метода приводит к весьма необычным коноскопическим
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 1
56 О. Ю. Пикуль, Г. В. Куликова, В. И. Строганов
картинам, что открывает новые возможности их практического применения в различных оптических устройствах: см. рис. 2—4, а — результаты эксперимента, б — соответствующие теоретически рассчитанные коноскопические картины.
а) а) а)
б) б) б)
Рис. 2
Рис. 3
Рис. 4
При размещении в оптической схеме (см. рис. 1) пластинки λ/4 после поляризатора (на-
блюдение с циркулярным поляризатором) излучение становится циркулярно поляризован-
ным, и коноскопическая картина оптически активного кристалла видоизменяется. При этом
система колец-изохром (см. рис. 2) трансформируется в две спирали, вложенные одна в дру-
гую (см. рис. 3), а светлый „мальтийский крест“ наблюдается на периферии поля зрения. На-
правление закручивания спиралей от периферии к центру (правое или левое при взгляде на-
встречу лучу) соответствует направлению вращения светового вектора поляризации оптиче-
ски активным кристаллом [4]. Кроме того, поворот пластинки λ/4 вокруг вертикальной оси в
плоскости входной грани, приводящий к смещению изохром на коноскопической картине (от
периферии к центру или наоборот), позволяет определить оптический знак кристалла без ис-
пользования кварцевого клина [5].
Любопытным фактом является то, что перемещение фазовой пластинки λ/4 из положе-
ния, при котором она размещена после поляризатора, в положение между кристаллом и ана-
лизатором (наблюдение с циркулярным анализатором) не изменяет вида коноскопической
картины (рис. 3), хотя через рассеиватель 3 на кристалл в этом случае падает линейно поля-
ризованное излучение. Сохранение вида коноскопической картины объясняется тем, что она
формируется в результате наложения двух коноскопических картин — кристалла (см. рис. 2)
и пластинки λ/4 (в виде двух систем гипербол). Вследствие достаточно малой толщины пла-
стинки λ/4 гиперболы находятся далеко за пределами центра картины вне поля зрения, а цен-
тральная часть коноскопической картины совпадает с рис. 3.
Рассмотренная схема наблюдения в основном применяется в сингулярной оптике, когда
анализатор циркулярной поляризации, помещенный после кристалла, используется для соз-
дания оптических вихрей и управления их геометрическим положением, а также величиной и
знаком топологического заряда [6].
При размещении двух фазовых пластинок λ/4 — до и после кристалла — „мальтийский
крест“ перестает затенять коноскопическую картину и полностью исчезает, оставляя хорошо
различимую систему колец-изохром, что позволяет контролировать наличие оптических де-
фектов (рис. 4). Еще раз отметим, что все три коноскопические картины (см. рис. 2—4) на-
блюдаются при использовании одной и той же кристаллической пластинки.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 1
Трансформация коноскопических картин кристалла
57
Расчеты, выполненные с применением программы компьютерной математики Maple, достаточно хорошо согласуются с экспериментом.
Вид коноскопических картин кристаллов с оптической осью в плоскости входной грани практически нечувствителен к любым перемещениям пластинки λ/4 в оптической системе. Картины сохраняют вид двух систем гипербол, осью симметрии одной из которых является оптическая ось кристалла. При этом происходит некоторое смещение гипербол относительно центра картины и изменение их интенсивности.
Система наблюдения коноскопических картин в случае использования слаборасходящегося широкоапертурного пучка (рис. 5) позволяет получить нетрадиционные коноскопические картины — параллельные полосы, кольца, эллипсы [7]. Излучение He—Ne-лазера 1, пропущенное через рассеиватель 2 и диафрагму 3, проходя через поляризатор 4 и положительную линзу 6, попадает на кристалл 8. Линза 6 расположена таким образом, что диафрагма 3 находится в ее фокусе и при необходимости линзу можно перемещать. Коноскопическая картина, локализованная в плоскости кристалла 8, при помощи линзы 7 через анализатор 5 проецируется на экран 9. При увеличении угла 2θ коноскопическая картина плавно трансформируется в две системы гипербол.
6 79
34
2 1
5 8
2θ
Рис. 5
Пучок лучей в этой оптической системе должен иметь такие поперечные размеры, чтобы каждая точка поверхности кристалла была освещена лучами, идущими в заданных направлениях. Тогда каждая точка изображения на экране будет соответствовать определенной точке на поверхности входной грани кристалла. Использование широкоапертурных слаборасходящихся пучков позволяет обнаружить оптические неоднородности кристалла, как приобретенные в процессе его роста, так и предварительно наведенные. При использовании двух и более близко расположенных оптических кристаллов возможна интерференция коноскопических картин.
Таким образом, варьирование схем наблюдения коноскопических картин оптических кристаллов позволяет увеличить объем информации, получаемой в ходе одного эксперимента, а также расширить ряд проводимых коноскопическим методом исследований оптически активных кристаллов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Меланхолин Н. М. Методы исследования оптических свойств кристаллов. М.: Наука, 1970.
2. Константинова А. Ф., Гречушников Б. И., Бокуть Б. В., Валяшко Е. Г. Оптические свойства кристаллов. Минск: Наука и техника, 1995.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 1
58 Ю. А. Балошин, М. Г. Рыжов, П. Н. Силин и др.
3. Особенности оптической системы для создания коноскопических фигур больших размеров / О. Ю. Пикуль, Л. В. Алексеева, И. В. Повх, В. И. Строганов, К. А. Рудой, Е. В. Толстов, В. В. Криштоп // Изв. вузов. Приборостроение. 2004. Т. 47, № 12. С. 53—55.
4. Пат. 2288460 РФ, МПК7 G01N 21/21. Способ определения знака вращения плоскости поляризации излучения в оптически активном кристалле / О. Ю. Пикуль, В. И. Строганов // Опубл. 27.11.06. Бюл. № 33. 13 с.
5. Пат. 2319942 РФ, МПК7 G01М 11/02, G02В 26/06. Устройство для определения оптического знака кристалла / О. Ю. Пикуль // Опубл. 20.03.08. Бюл. № 8. 16 с.
6. Воляр А. В., Фадеева Т. А., Егоров Ю. А. Векторные сингулярности гауссовых пучков в одноосных кристаллах: генерация оптических вихрей // Письма в ЖТФ. 2002. Т. 28, вып. 22. С. 70—77.
7. Карпец Ю. М., Строганов В. И., Сюй А. В. Коноскопические фигуры нового вида // Нелинейная оптика: Сб. науч. тр. / Под ред. В. И. Строганова. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2000. С. 57—60.
Сведения об авторах
Ольга Юрьевна Пикуль
— канд. физ.-мат. наук, доцент; Дальневосточный государственный
университет путей сообщения, кафедра физики, Хабаровск;
E-mail: pikoul2008@gmail.com
Генриетта Владимировна Куликова — аспирант; Дальневосточный государственный университет путей
сообщения, кафедра физики, Хабаровск;
E-mail: kulikova_genriet@mail.ru
Владимир Иванович Строганов
— д-р физ.-мат. наук, профессор; Дальневосточный государственный
университет путей сообщения, кафедра физики, Хабаровск;
E-mail: garmonica@festu.khv.ru
Рекомендована кафедрой физики
Поступила в редакцию 01.03.11 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 1
55
УДК 535.512, 535.515
О. Ю. ПИКУЛЬ, Г. В. КУЛИКОВА, В. И. СТРОГАНОВ
ТРАНСФОРМАЦИЯ КОНОСКОПИЧЕСКИХ КАРТИН КРИСТАЛЛА ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ
Исследуется процесс трансформации коноскопической картины оптического кристалла при изменении месторасположения кристаллической фазовой пластинки λ/4 в оптической системе наблюдения. Приведены результаты экспериментов, проведенных для оптически активного кристалла ТеО2.
Ключевые слова: интерференция, коноскопическая картина, циркулярная поляризация, пластинка λ/4.
Исследование оптических свойств кристаллов с помощью интерференционного (коно-
скопического) метода представляет особый интерес в связи с возможностью получения до-
полнительной информации об их оптических параметрах и характеристиках [1, 2].
Коноскопическая картина, традиционно наблюдаемая в поляризационном микроскопе,
формируется излучением, проходящим через кристалл, который помещен между линейными
поляризатором и анализатором. Вместе с тем получить сильно сходящийся пучок лучей дос-
таточно трудно, тогда как при анализе тонких кристаллических пластинок необходимы пучки
с угловой апертурой порядка 100—120°. Если же угловая апертура составляет 20—30°, то в
поле зрения наблюдается только часть картины, например одна интерференционная полоса.
Кроме того, небольшой масштаб коноскопической картины, наблюдаемой в поляризацион-
ном микроскопе, малый размер кристаллов, а также узкое поле зрения, обусловленное не-
большой угловой апертурой светового пучка, ограничивают возможности применения коно-
скопического метода.
Использование схемы наблюдения коноскопических картин в сильно расходящихся
пучках [3] позволяет расширить функциональные возможности коноскопического метода
(рис. 1). Излучение He—Ne-лазера 1, пропущенное через поляризатор 2 и рассеиватель 3, про-
ходит через исследуемую кристаллическую пластинку 4 и на выходе анализатора 5 образует
на экране 6 крупномасштабную коноскопическую картину. Такая схема наблюдения позволя-
ет применять коноскопический метод при исследовании оптических свойств кристаллов, при
этом можно изменять форму поляризации излучения и использовать циркулярно и эллипти-
чески поляризованное излучение; кроме того, такая схема позволяет исследовать влияние уг-
лового распределения интенсивности световых пучков на коноскопическую картину; обеспе-
чить возможность наблюдения двойных коноскопических картин; исследовать интерферен-
ционные явления в системе из нескольких оптических элементов, в том числе с оптическими
кварцевыми линзами.
2 45 3
6
1
Рис. 1
Кристаллическая фазовая пластинка λ/4 достаточно часто применяется в поляризационных измерениях для получения циркулярного излучения. Использование такой пластинки при реализации коноскопического метода приводит к весьма необычным коноскопическим
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 1
56 О. Ю. Пикуль, Г. В. Куликова, В. И. Строганов
картинам, что открывает новые возможности их практического применения в различных оптических устройствах: см. рис. 2—4, а — результаты эксперимента, б — соответствующие теоретически рассчитанные коноскопические картины.
а) а) а)
б) б) б)
Рис. 2
Рис. 3
Рис. 4
При размещении в оптической схеме (см. рис. 1) пластинки λ/4 после поляризатора (на-
блюдение с циркулярным поляризатором) излучение становится циркулярно поляризован-
ным, и коноскопическая картина оптически активного кристалла видоизменяется. При этом
система колец-изохром (см. рис. 2) трансформируется в две спирали, вложенные одна в дру-
гую (см. рис. 3), а светлый „мальтийский крест“ наблюдается на периферии поля зрения. На-
правление закручивания спиралей от периферии к центру (правое или левое при взгляде на-
встречу лучу) соответствует направлению вращения светового вектора поляризации оптиче-
ски активным кристаллом [4]. Кроме того, поворот пластинки λ/4 вокруг вертикальной оси в
плоскости входной грани, приводящий к смещению изохром на коноскопической картине (от
периферии к центру или наоборот), позволяет определить оптический знак кристалла без ис-
пользования кварцевого клина [5].
Любопытным фактом является то, что перемещение фазовой пластинки λ/4 из положе-
ния, при котором она размещена после поляризатора, в положение между кристаллом и ана-
лизатором (наблюдение с циркулярным анализатором) не изменяет вида коноскопической
картины (рис. 3), хотя через рассеиватель 3 на кристалл в этом случае падает линейно поля-
ризованное излучение. Сохранение вида коноскопической картины объясняется тем, что она
формируется в результате наложения двух коноскопических картин — кристалла (см. рис. 2)
и пластинки λ/4 (в виде двух систем гипербол). Вследствие достаточно малой толщины пла-
стинки λ/4 гиперболы находятся далеко за пределами центра картины вне поля зрения, а цен-
тральная часть коноскопической картины совпадает с рис. 3.
Рассмотренная схема наблюдения в основном применяется в сингулярной оптике, когда
анализатор циркулярной поляризации, помещенный после кристалла, используется для соз-
дания оптических вихрей и управления их геометрическим положением, а также величиной и
знаком топологического заряда [6].
При размещении двух фазовых пластинок λ/4 — до и после кристалла — „мальтийский
крест“ перестает затенять коноскопическую картину и полностью исчезает, оставляя хорошо
различимую систему колец-изохром, что позволяет контролировать наличие оптических де-
фектов (рис. 4). Еще раз отметим, что все три коноскопические картины (см. рис. 2—4) на-
блюдаются при использовании одной и той же кристаллической пластинки.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 1
Трансформация коноскопических картин кристалла
57
Расчеты, выполненные с применением программы компьютерной математики Maple, достаточно хорошо согласуются с экспериментом.
Вид коноскопических картин кристаллов с оптической осью в плоскости входной грани практически нечувствителен к любым перемещениям пластинки λ/4 в оптической системе. Картины сохраняют вид двух систем гипербол, осью симметрии одной из которых является оптическая ось кристалла. При этом происходит некоторое смещение гипербол относительно центра картины и изменение их интенсивности.
Система наблюдения коноскопических картин в случае использования слаборасходящегося широкоапертурного пучка (рис. 5) позволяет получить нетрадиционные коноскопические картины — параллельные полосы, кольца, эллипсы [7]. Излучение He—Ne-лазера 1, пропущенное через рассеиватель 2 и диафрагму 3, проходя через поляризатор 4 и положительную линзу 6, попадает на кристалл 8. Линза 6 расположена таким образом, что диафрагма 3 находится в ее фокусе и при необходимости линзу можно перемещать. Коноскопическая картина, локализованная в плоскости кристалла 8, при помощи линзы 7 через анализатор 5 проецируется на экран 9. При увеличении угла 2θ коноскопическая картина плавно трансформируется в две системы гипербол.
6 79
34
2 1
5 8
2θ
Рис. 5
Пучок лучей в этой оптической системе должен иметь такие поперечные размеры, чтобы каждая точка поверхности кристалла была освещена лучами, идущими в заданных направлениях. Тогда каждая точка изображения на экране будет соответствовать определенной точке на поверхности входной грани кристалла. Использование широкоапертурных слаборасходящихся пучков позволяет обнаружить оптические неоднородности кристалла, как приобретенные в процессе его роста, так и предварительно наведенные. При использовании двух и более близко расположенных оптических кристаллов возможна интерференция коноскопических картин.
Таким образом, варьирование схем наблюдения коноскопических картин оптических кристаллов позволяет увеличить объем информации, получаемой в ходе одного эксперимента, а также расширить ряд проводимых коноскопическим методом исследований оптически активных кристаллов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Меланхолин Н. М. Методы исследования оптических свойств кристаллов. М.: Наука, 1970.
2. Константинова А. Ф., Гречушников Б. И., Бокуть Б. В., Валяшко Е. Г. Оптические свойства кристаллов. Минск: Наука и техника, 1995.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 1
58 Ю. А. Балошин, М. Г. Рыжов, П. Н. Силин и др.
3. Особенности оптической системы для создания коноскопических фигур больших размеров / О. Ю. Пикуль, Л. В. Алексеева, И. В. Повх, В. И. Строганов, К. А. Рудой, Е. В. Толстов, В. В. Криштоп // Изв. вузов. Приборостроение. 2004. Т. 47, № 12. С. 53—55.
4. Пат. 2288460 РФ, МПК7 G01N 21/21. Способ определения знака вращения плоскости поляризации излучения в оптически активном кристалле / О. Ю. Пикуль, В. И. Строганов // Опубл. 27.11.06. Бюл. № 33. 13 с.
5. Пат. 2319942 РФ, МПК7 G01М 11/02, G02В 26/06. Устройство для определения оптического знака кристалла / О. Ю. Пикуль // Опубл. 20.03.08. Бюл. № 8. 16 с.
6. Воляр А. В., Фадеева Т. А., Егоров Ю. А. Векторные сингулярности гауссовых пучков в одноосных кристаллах: генерация оптических вихрей // Письма в ЖТФ. 2002. Т. 28, вып. 22. С. 70—77.
7. Карпец Ю. М., Строганов В. И., Сюй А. В. Коноскопические фигуры нового вида // Нелинейная оптика: Сб. науч. тр. / Под ред. В. И. Строганова. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2000. С. 57—60.
Сведения об авторах
Ольга Юрьевна Пикуль
— канд. физ.-мат. наук, доцент; Дальневосточный государственный
университет путей сообщения, кафедра физики, Хабаровск;
E-mail: pikoul2008@gmail.com
Генриетта Владимировна Куликова — аспирант; Дальневосточный государственный университет путей
сообщения, кафедра физики, Хабаровск;
E-mail: kulikova_genriet@mail.ru
Владимир Иванович Строганов
— д-р физ.-мат. наук, профессор; Дальневосточный государственный
университет путей сообщения, кафедра физики, Хабаровск;
E-mail: garmonica@festu.khv.ru
Рекомендована кафедрой физики
Поступила в редакцию 01.03.11 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 1