Определение оптических изотропных и анизотропных оптических материалов

Осуществляется в параллельном поляризованном свете с помощью поляризационного микроскопа МИН-8, работающего по схеме рис. 4. В отсутствие оптически анизотропной пластины интенсивность света, выходящего из оптической системы, определяется законом Малюса

I = I₀ cos² g

Здесь g - угол между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора. Если g = 0, николи параллельны, и наблюдается максимальная интенсивность прошедшего света. Если g = 90°, николи скрещены (плоскости поляризации поляризатора П и анализатора А взаимно перпендикулярны), свет через оптическую систему не проходит, поле зрения темное. Если между скрещенными николями помещена пластина из оптически изотропного материала, то поле зрения остается темным при любых положениях пластин. В случае пластины из оптически анизотропного кристалла, вырезанной не перпендикулярно оптической оси и помещенной между скрещенными николями, поле зрения просветляется. Степень просветления зависит от величины двулучепреломления, а последняя, в свою очередь, — от оптических констант кристалла, от его ориентировки по отношению к оптической оси и от толщины пластины. При вращении этой пластины на 360°, в отличие от пластины из оптически изотропного материала, поле зрения 4 раза светлеет и темнеет.

1.1.2. Определение осности оптически анизотропных кристаллов

Осуществляется в сходящемся поляризованном свете, схема наблюдения в котором показана на рис. 5.

Если через пластину одноосного кристалла, вырезанную перпендикулярно оптической оси, пропустить пучок плоскополяризованных сходящихся в виде конусов лучей, то все лучи, идущие вдоль оптической оси, будут обладать нулевой разностью хода. Поэтому в центре поля зрения микроскопа в скрещенных николях должно получиться темное пятно. Все лучи, одинаково наклоненные к оптической оси, обладают некоторой одинаковой разностью хода и образуют коническую поверхность равного хода. В результате интерференции лучей света, проходящих через кристаллическую пластину под всевозможными углами, возникают характерные интерференционные картины, называемые коноскопическими фигурами. Вид коноскопической фигуры зависит от симметрии кристалла, от ориентации пластины относительно кристаллографических осей, от толщины пластины и от величины его двулучепреломления, а также от апертуры и спектрального состава света.

Коноскопические фигуры состоят из изогир и изохром. Изогирами называются темные полосы, все точки которых соответствуют тем направлениям в кристалле, по которым распространяются лучи с колебаниями, параллельными плоскостям поляризации скрещенных николей. Изохромами называются темные и светлые полосы, каждая из которых соответствует направлениям одинаковой разности хода.

Характерная коноскопическая фигура одноосного кристалла, вырезанного перпендикулярно к оптической оси, имеет вид черного креста из двух изогир и серии концентрических темных и светлых колец ( рисунок 6а ).

Коноскопические фигуры двуосных кристаллов несколько сложнее

(рисунок 6б ).

1.1.3. Определение оптического знака кристалла

Сводится к определению наименований осей в коноскопических фигурах с помощью кварцевого клина, вырезанного параллельно оптической оси, методом “бегущих полосок”. В случае оптически положительного одноосного кристалла, при вдвигании клина его тонким концом вперед, интерференционные кольца в квадратах креста, расположенных вдоль клина, смещаются от центра к периферии. В двух других квадратах кольца смещаются от периферии к центру. Данное смещение связано с возрастанием оптической разности хода D с увеличением толщины пластины. Кольца будут тем чаще, чем толще пластина и чем больше двулучепреломление.

1.1.4. Определение вращения плоскости колебаний поляризованного света

Осуществляется в параллельном поляризованном свете со скрещенными николями на полную темноту, если между ними внести пластину из оптически активного кристалла. При этом наблюдается просветление поля.

а)

б)

Рисунок 6 - Коноскопические фигуры одноосного кристалла (а) и двухосного кристалла (б).

Поворотом анализатора на некоторый угол поле снова устанавливается на темноту. Величина угла и направление поворота анализатора от первоначального положения и определит величину и направление поворота плоскости колебаний.

1.2. Поляризационный микроскоп МИН-8

Поляризационный микроскоп МИН-8 предназначен для исследования прозрачных объектов в проходящем обыкновенном и параллельном и сходящемся поляризованном свете. От источника света 1 ( рисунок 7 ) лучи, пройдя линзы 2 и 4, падают на призму 5, в которой они преломляются и направляются в поляризатор 7, откуда выходят поляризованным пучком. Далее, пройдя через апертурную диафрагму 8, поляризованные лучи падают на один из двух сменных конденсоров 9 и освещают исследуемый объект. От объекта лучи направляются в объектив 12, затем в анализатор 14 и монометрический светофильтр 15 и дальше идут либо непосредственно в окуляр 19 ( при наблюдении в параллельном поляризованном свете ), либо в тот же окуляр 11, но через линзу Бертрана (при наблюдении в сходящемся поляризованном свете). Откидная линза Лазо 10 включается в ход лучей при работе в сходящемся поляризованном свете с объективами 20^r0, 40; 40^r0,15; 60^r0,85. Между объективом и анализатором в ход лучей может быть введен компенсационный кварцевый клин; компенсационная кварцевая пластина 14 первого порядка.

При работе с объективами 9^r0,20 и выше диафрагма 8 в конденсаторе служит в качестве апертурной диафрагмы, поэтому диафрагма 6 в этом случае должна быть полностью открыта. При работе с объективом 3,5^r0,10 в качестве апертурной служит диафрагма 6, поэтому диафрагма 8 в этом случае должна быть полностью открыта.

2. Порядок выполнения работы

2.1. Исследование кристаллов в параллельном свете.

2.1.1. Определение угла поворота плоскости поляризации.

-изменить толщину исследуемых пластин;

- установить объектив 3,5^r0,10;

- выключить из хода лучей откидную линзу Лазо поворотом рукоятки;

- повернуть диск с тремя монокристаллическими светофильтрами и одним свободным отверстием, чтобы лучи проходили через свободное отверстие;

- выключить линзу Бертрана;

- включить осветитель;

-скрестить николи на полную темноту;

- поставить на поворотный столик исследуемую пластину и наблюдать просветление активного кристалла;

- повернуть анализатор снова на темноту;

- определить величину угла и направление поворота анализатора;

- произвести измерение угла вращения плоскости поляризации, используя монохроматические фильтры для пропускания света с длиной волны 486, 589 и 620 нм;

- произвести расчет постоянной вращения исследуемых ОМ .

2.1.2 Определение изотропных и анизотропных ОМ.

- настройка микроскопа, как в п. 2.1.1;

-установить на поворотный столик исследуемую пластину и, вращая столик, наблюдать четырехкратное просветление и потемнение поля зрения при повороте столика на 360° в случае оптически анизотропного ОК. Сравнить с пластиной из стекла.

Рисунок 7 - Оптическая схема поляризационного микроскопа МИН-8.

2.1.3. Определение осности оптически анизотропного ОК.

-установить объектив 60^r0,85 или 40^r0,65;

- включить в ход лучей откидную линзу Лазо поворотом рукоятки;

- включить линзу Бертрана вращением барашка;

- включить осветитель;

- скрестить николи на полную темноту;

- установить на поворотный столик исследуемую пластину и наблюдать коноскопическую фигуру, произведя подвижкой окуляра при вращении нактанного кольца фокусировку на резкость;

-определить по коноскопическим фигурам осность кристаллов, из которых изготовлена пластина;

- вращая столик, наблюдать смещение и подвижность темного креста при отклонении плоскости среза пластины от перпендикуляра к оптической оси у оптически однородных ОК.

2.1.4. Определение оптического знака ОК.

- настройка микроскопа, как в п. 2.1.3;

вставить в прорезь тубуса микроскопа, расположенную под углом 45° к плоскости симметрии микроскопа, кварцевый клин, представляющий собой клинообразную пластинку кварца, вырезанную параллельно оптической оси, и наблюдать направление смещения интерференционных колец в квадратах коноскопической фигуры, расположенных вдоль клина при перемещении кварцевого клина тонким концом вперед;

- определить оптический знак кристалла в исследуемых пластинах.

3. Содержание отчета.

Специфические оптические свойства ОК - двойное лучепреломление и вращение плоскости поляризации ( рис.1-3 ).

Схемы наблюдения кристалла в параллельном и сходящемся поляризованном свете ( рис. 4-5 ).

Оптическая схема поляризационного микроскопа МИН-8.

Таблица с результатами выполненных исследований.

Выводы по результатам работы.

Таблица 1 – Результаты наблюдения и измерений

4. Контрольные вопросы

1.Специфические оптические свойства ОК.

2.Двойное лучепреломление в ОК.

3.Оптически изотропные и анизотропные ОК.

4.Одноосные и двуосные ОК.

5.Волновые поверхности света одноосных ОК.

6.Оптически положительные и отрицательные одноосные кристаллы.

7.4-кратное просветление и потемнение при вращении оптически анизотропной пластины в параллельном поляризованном свете.

8.Оптически активные кристаллы.

9.Факторы, определяющие значение постоянной вращения.

10.Различие естественного и поляризованного света.

11.Прибор для изучения оптических свойств кристаллов.

12.Особенности поляризационного микроскопа.

13.Назначение поляризатора и анализатора.

Литература:

1. Петровский Г.Т. Оптические материалы. Возможности оптического материаловедения в современности и перспективе. // ОМП.-1988.-12-стр.61-65.

2. Най Дж. Физические свойства кристаллов.—М..: Мир, 1967, 386 с.

3.Борн М., Вольф Э. Основы оптики.—М.: Наука, 1970, 856 с.

4.Шафрановский И.И , Алявдин В.Ф. Краткий курс кристаллографии.—М.: Высшая школа, 1989, 120 с.

5.Сиротин Ю.И., Шокальская М.П. Основы кристаллофизики.-М.: Наука, 1979, 639 с.