Исследования одноосных кристаллов рубина с помощью

Методические указания по выполнению лабораторного практикума по оптическому материаловедению. ИССЛЕДОВАНИЕ
ОДНООСНЫХ КРИСТАЛЛОВ РУБИНА С ПОМОЩЬЮ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО МИКРОСКОПА
Лабораторная работа №8.
ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНООСНЫХ КРИСТАЛЛОВ РУБИНА С ПОМОЩЬЮ
ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО МИКРОСКОПА
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучение анизотропии оптических свойств одноосного кристалла с
помощью поляризационного микроскопа.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ: Кристаллы рубина в виде пластинок различным образом,
ориентированных относительно оптической оси.
ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ В РАБОТЕ:
1. Ознакомится с назначением и основными элементами поляризационного микроскопа.
2. При ортоскопическом наблюдении определить положение оптической оси для случая
когда ось расположена в плоскости пластинки.
3. Наблюдать коноскопические картины для пластинок различной ориентации.
СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Одноосные кристаллы важный класс оптических материалов. Активированные кристаллы
применяются в качестве лазерных сред. Типичным представителем является кристалл, на
котором впервые была получена генерация лазерного излучения - рубин, представляющий
собой корунд Al2O3, активированный ионами Cr3+.
Важнейшая особенность оптических и спектральных свойств одноосных кристаллов
состоит в том, что они анизотропны.
Анизотропия показателя преломления
Анизотропия показателя преломления характеризуется оптической индикатрисой, которая
в случае одноосного кристалла представляет собой эллипсоид вращения.
Два значения показателя преломления различаются уже в первом знаке после запятой
no = 1,776; ne = 1,679;
где
ne2 = ε ; no2 = ε ⊥
. Для произвольного направления распространения света существует, по крайней мере,
две нормальных волны, которые распространяются в кристалле не меняя своего состояния
поляризации. Эти волны линейно поляризованы. Направления поляризации взаимно
перпендикулярны и могут быть найдены путём сечения индикатрисы плоскостью
Методические указания по выполнению лабораторного практикума по оптическому материаловедению. ИССЛЕДОВАНИЕ
ОДНООСНЫХ КРИСТАЛЛОВ РУБИНА С ПОМОЩЬЮ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО МИКРОСКОПА
перпендикулярной направлению распространения волн. Линия пересечения представляет
собой эллипс, оси которого и дают направления поляризации нормальных волн.
Рис.1 Определение
главных
направлений для пластинки
одноосного
кристалла
помощью
с
оптической
индикатрисы
Анизотропия поглощения и испускания света
Фактически
одноосный
кристалл
характеризуется
двумя
различными
спектрами
поглощения и двумя спектрами люминесценции. В случае поглощения это свойство
называется «дихроизмом». Например, при распространении света перпендикулярно
оптической оси кристалла L ⊥C один спектр соответствует поляризации Ε||C, а другой E⊥C. Иными словами, спектр поляризован. При распространении света вдоль оптической
оси спектр поглощения неполяризован и совпадает с спектром, который в предыдущем
случае измерялся при E⊥C. То же самое относится и к спектру люминесценции
Рис 2 Два типа спектров для одноосного кристалла
Поляризация полос спектров
описывается квантовой механикой, согласно которой в
случае одноосного кристалла величина матричного момента оптического перехода
зависит как от направления распространения света, так и от его поляризации. В
Методические указания по выполнению лабораторного практикума по оптическому материаловедению. ИССЛЕДОВАНИЕ
ОДНООСНЫХ КРИСТАЛЛОВ РУБИНА С ПОМОЩЬЮ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО МИКРОСКОПА
простейшем
и
наиболее
важном
случае
полностью
поляризованных
полос
квантовомеханическое описание анизотропии поглощения и излучения полностью
адекватно классичекой модели линейных и круговых осцилляторов.
При разработках одноосных кристаллов измерение анизотропии их спектров поглощения
и люминесценции является совершенно необходимым этапом исследования по
следующим причинам:
(а) Величина анизотропии позволяет идентифицировать типы энергетических уровней,
между которыми осуществляется оптический переход, и, в конечном счёте предложить
обоснованную структурную модель активаторного центра.
(б)
Величина
анизотропии
в
значительной
степени
определяет
основные
эксплуатационные параметры оптического материала - например, коэффициет усиления у
лазерных кристаллов.
(в) Неучёт анизотропии может кардинально исказить результаты измерений и привести
артефактам
Рис 3 Поляризация полос поглощения кристалла рубина
Окраску кристаллов рубина определяют две широкие полосы поглощения U и Y. Первая
из них более интенсивна в поляризации
E ⊥ C3
, а вторая – в поляризации
E C3 . Это
обстоятельство приводит к тому, что окраска кристаллов рубина несколько меняется в
зависимости от направления поляризации света, в котором наблюдается образец. При
наблюдении вдоль оптической оси окраска кристалла имеет жёлтый оттенок, а при
наблюдении перпендикулярно оптической оси - фиолетовый оттенок. Это обстоятельство
используется при выполнении настоящей работы.
Поляризационный микроскоп.
Анизотропию оптических свойств кристаллов исследуют с помощью поляризационного
микроскопа. Кроме того, этот прибор применяется для изучения двулучепреломления
разной природы, напряжений и других дефектов в оптических материалах
Методические указания по выполнению лабораторного практикума по оптическому материаловедению. ИССЛЕДОВАНИЕ
ОДНООСНЫХ КРИСТАЛЛОВ РУБИНА С ПОМОЩЬЮ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО МИКРОСКОПА
Главное отличие поляризационного микроскопа от обычного состоит в наличии двух
поляризационных элементов: поляризатора и анализатора. Поляризатор располагается
перед изучаемым объектом, анализатор – после.
Линза Бертрана
Анализатор
Короткофокусный
объектив
Рис.4 Поляризационный микроскоп МИН-8
Поляризационный микроскоп используется в настоящей работе в двух разных
режимах: ортоскопическом и коноскопическом.
В ортоскопическом режиме поляризационный микроскоп даёт увеличенное
изображение объекта, как и обычный микроскоп. Отличие состоит в том, что в
поляризационном микроскопе обычно задаётся поляризация света как до его прохождения
через образец, так и после. Иногда используется только один поляризатор.
Если направления поляризации пропускаемого света для поляризатора и
анализатора взаимно перпендикулярны,
то в случае отсутствия образца свет через
микроскоп не проходит.
В случае помещения образца результат зависит
ориентации в микроскопе.
как от образца, так и от его
Методические указания по выполнению лабораторного практикума по оптическому материаловедению. ИССЛЕДОВАНИЕ
ОДНООСНЫХ КРИСТАЛЛОВ РУБИНА С ПОМОЩЬЮ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО МИКРОСКОПА
Если образец оптически изотропен ( представляет собой пластинку из стекла, или
кубического кристалла без дефектов и остаточных напряжений) то анализатор попрежнему не будет пропускать света и поле микроскопа буде оставаться чёрным.
Для оптически анизотропных одноосных кристаллов, к которым относится рубин,
результат зависит от ориентации образца. Линейно поляризованный свет при
распространении
в
одноосном
кристалле
произвольной
ориентации
будет
трансформироваться в свет эллиптически поляризованный. Такой свет будет частично
проходить через анализатор. В микроскоп будет наблюдаться изображение кристалла.
Исключение составляет случай специальной ориентации образца, когда главные
направления в нём (направления поляризации нормальных волн) совпадают с
направлениями поляризации поляризатора и анализатора. Тогда линейная поляризация
света при его распространении через кристалл не меняется, и свет полностью гасится
анализатором. Разумеется, к этому случаю относится и распространение света вдоль
оптической оси.
Первый этап работы с каждым из образцов состоит в нахождении главных
направлений по затемнению поля при вращении столика с образцом.
Второй этап состоит в выяснении вопроса, которое из главных направлений лежит
в плоскости, содержащей оптическую ось, а которое из направлений перпендикулярно
этой плоскости. Для его выяснения образец рассматривается поочерёдно в каждом из
положений погасания, но уже без использования анализатора. Получающиеся при этом
оттенки красного цвета будут различны (см. выше), что позволяет решить вопрос о
расположении оптической оси однозначно.
Коноскопический режим позволяет получить дополнительную инфрмацию об ориентации
и качестве образца. В этом режиме микроскоп не даёт изображение образца. Наблюдается
т.н. “коноскопическая фигура”, каждая точка которой образуется лучами, исходящими из
разных точек образца, но под одинаковым углом.
Методические указания по выполнению лабораторного практикума по оптическому материаловедению. ИССЛЕДОВАНИЕ
ОДНООСНЫХ КРИСТАЛЛОВ РУБИНА С ПОМОЩЬЮ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО МИКРОСКОПА
При наблюдении коноскопической фигуры используются объективы с большой
апертурой, а для освещения образца вводится специальная короткофокусная линза. Кроме
того, перед окуляром вводится специальная линза (“линза Бертрана”)
Особенно выразительный вид коноскопическая картина имеет при распространении света
вдоль оптической оси (Рис 82). Она позволяет фиксировать незначительные отклонения
оси, а также остаточные напряжения, которые делают кристалл фактически двухосным.
ПОРЯДОК РАБОТЫ
Методические указания по выполнению лабораторного практикума по оптическому материаловедению. ИССЛЕДОВАНИЕ
ОДНООСНЫХ КРИСТАЛЛОВ РУБИНА С ПОМОЩЬЮ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО МИКРОСКОПА
1. Ввести анализатор и убедиться в “скрещенности” поляризаторов
2. Положить образец на столик микроскопа.
3. Вращать столик, наблюдая изменение картины в микроскоп.
4. Если образец вырезан не перпендикулярно оптической оси, определить главные
направления пластинки.
5. Вывести анализатор и наблюдать изменение цвета образца при поляризации света в
каждом из главных направлений.
6. По изменению цвета определить положение плоскости, в которой лежит
оптическая ось и направление, перпендикулярное к оптической оси.
7. Повторить все операции для другого образца.
8. Ввести линзу Бертрана
9.
Ввести короткофокусную линзу для освещения образца
10. Наблюдать коноскопическую картину.
11. Дать объяснение её происхождению
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Что
такое
дихроизм
кристаллов?
Сколько
различных
спектров
поглощения
характеризуют одноосный кристалл?
2. Что такое нормальные волны?
3. Что такое главные направления в одноосном кристалле?
4. Как дискриминируются главные направления в кристалле рубина?
5. Что такое коноскопическая картина?
ЛИТЕРАТУРА
1. Бутиков, Е.И. Оптика : учеб.пособие для студентов физических специальностей
вузов / Е.И. Бутиков. - 2-е изд. - СПб.: Нев. диалект, 2003. - 480 с.
2. Ландсберг, Г.С. Оптика : учеб.пособие для студентов физических специальностей
вузов / Г.С. Ландсберг. – 6-е изд. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 848 с.
3. Калитеевский, Н.И. Волновая оптика : учеб. пособие для студентов вузов / Н.И.
Калитеевский. – 3-е изд. – М.: Высш. шк., 1995. – 463 с.
4. Ахманов, С.А. Физическая оптика : учебное пособие / С.А. Ахманов, С.Ю. Никитин.
– 2-е изд. – М.: Изд-во МГУ; Наука, 2004. –654 с.
5. Матвеев, А.Н. Оптика : учеб пособие для студентов физических специальностей
вузов / А.Н. Матвеев. - М.: Высш. шк., 1985. – 351 с.
6. Красавцев, В.М. Лабораторный практикум по курсу основы оптики (раздел
физическая оптика) : учебное пособие / В.М. Красавцев, Н.Б. Маргарянц, Ю.К.
Михайловский. – СПб : СПбГИТМО (ТУ), 2002. – 80 с.
7. Золотарев, В.М. Физическая оптика : учеб. пособие / В.М. Золотарев, В.М.
Красавцев, Р.К. Мамедов.– СПб : СПбГИТМО (ТУ), 2001. – 64 с.