Визначення положення оптичної осі в одноосьових кристалах коноскопічним методом

Метою роботи є вивчення коноскопічного методу орієнтації одноосьових кристалів і контроль положення оптичної осі в пластинках із кристалічного кварцу.

Кристали, на відміну від скла, характеризуються яскраво вираженою анізотропією властивостей. Механічні, акустичні, оптичні, електричні та інші властивості кристалів залежать від напрямку їх вимірювання. Тому при виготовленні деталей необхідно знати положення оптичної осі відносно робочих поверхонь деталі. Одним з методів визначення її положення є коноскопічний, заснований на тому, що в напрямку оптичної осі кристала (в одноосьового кристала оптична вісь співпадає з кристалографічною) анізотропія оптичних властивостей відсутня.

Рис.3.7. Утворення коноскопічної картини.

Оптична схема коноскопа

Перш ніж приводити опис ефектів, одержуваних при коноскопічних спостереженнях, нагадаємо кілька основних визначень.

Площина падіння - площина, що містить падаючий промінь і нормаль до поверхні кристала. Оптична вісь кристала - пряма, проведена через будь-яку точку кристала у напрямку, в якому відсутня або подвійна променезаломлюваність напрямків кристалу, вздовж якого швидкість поширення світла не залежить від орієнтації площини поляризації світла. Головний перетин кристала - площина, що містить оптичну вісь кристала і проходить через його промінь.

Для пояснення ефектів, що відбуваються при спостереженнях, розглянемо оптичну схему коноскопа (рис.3.7).

Він складається із широкого джерела світла S, схрещених поляризатора П та аналізатора А, кристалічної пластини К, вирізаної перпендикулярно до оптичної осі кристала, і двох плоскоопуклих лінз Л₁ і Л₂, фокуси яких сполучені з центром кристалічної пластини. Пластина опромінюється пучками рівнобіжних променів, кут і площина падіння яких різні. Падаючий від джерела S пучок світла розділяється в пластині К на два: звичайний, що характеризується показниками заломлення n ₀, і незвичайний – n _В. Площина коливання вектору Е звичайного променя співпадає з площиною падіння, площина коливань вектора Е незвичайного променя перпендикулярна площині падіння. Лінза Л₂ дає інтерференційний ефект у площині F. Поляризатор П та аналізатор А забезпечують можливість спостереження інтерференційної картини. При фіксованих положеннях поляризатора та аналізатора різниця фаз D між звичайним і незвичайним променями, які вийшли під однаковими кутами j до оптичної осі ОО¢, дорівнює

D=- , (3.14)

де d - товщина пластини; l - довжина хвилі падаючого світла.

З формули (3.14) видно, що промені, які мають рівні кути нахилу до оптичної осі, будуть мати однакову різницю фаз. Тому в площині F - площині локалізації інтерференційної картини - будуть спостерігатися концентричні кола. При використанні монохроматичного світла, кола мають вид світлих і темних кілець, що відповідають інтерференційним максимумам і мінімумам.

При схрещених поляризаторі та аналізаторі в центрі інтерференційної картини буде спостерігатися мінімум.

Рис. 3.8. Визначення кутів a і b

П - напрямок коливань, що пропускаються поляризатором; А - напрямок коливань, що пропускаються аналізатором; К - напрямок одного з головних перетинів кристалічної пластини: a змінюється від 0 до 2p:

J = J₀ , (3.15)

де J₀ - інтенсивність падаючого на поляризатор світла; a - кут між напрямком коливань, що пропускаються поляризатором і одним з головних перетинів пластини; b - кут між напрямком коливань, що пускаються аналізатором та головним перетином пластини; (b-a) - кут між головним перетином поляризатора та аналізатора. У нашому випадку поляризатор і аналізатор схрещені, тобто і формула (3.15) може бути спрощена:

. (3.16)

Рис.3.9. Інтерференційна картина від одноосьового кристала. Оптична вісь перпендикулярна робочим граням

Якщо оптична вісь пластини К не перпендикулярна її робочим граням (1,1¢ - 2,2¢) і складає деякий кут g з оптичною віссю ОО¢ приладу (див. рис. 7), то інтерференційна картина в площині F зміститься. При обертанні кристалічної пластинки центр інтерференційної картини буде описувати деяке коло навколо центра полю зору, а фігура буде переміщуватися паралельно самій собі, що характеризує непаралельність осей ОО¢ приладу і контрольованої пластини (рис. 3.10 а - при виході оптичної осі в поле зору мікроскопа, б - у випадку виходу оптичної осі за межі полю зору).

Рис. 3.11. Інтерференційна картина від кристала, оптична вісь якого орієнтована паралельно робочим граням

Якщо оптична вісь кристала нерівнобіжна до робочих граней пластини і складає з ними кут малої величини, то картина в площині F (рис.3.12) зміститься. При обертанні пластини навколо осі ОО` центр картини буде описувати деяку окружність, отже, і в цьому випадку зсув інтерференційної картини характеризує неперпендикулярність оптичних осей ОО` приладу та кристалічної пластини.