Способ определения положения оптической оси фазовой анизотропной кристаллической пластинки /4

Способ определения положения оптической оси фазовой анизотропной кристаллической пластинки /4

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области поляризационных измерений и предназначено для определения параметров кристаллических пластинок, изготовленных из одноосных кристаллов, в частности фазовых кристаллических пластинок λ/4, используемых в системах модуляции излучения, поляризационно-оптических методах исследования напряжений для преобразования, анализа и контроля состояния поляризации излучения.

Общеизвестно, что одноосные кристаллы - это анизотропные кристаллы средних сингоний, характеризующиеся кристаллографическими и кристаллофизическими осями. В одноосных кристаллах ось симметрии высшего порядка совмещается с кристаллографической осью Z и является оптической осью кристалла, кристаллографические оси Х и Y, являющиеся эквивалентными друг другу, расположены перпендикулярно оси Z так, что в тригональной и гексагональной системе угол между ними составляет 120°, а в тетрагональной - 90°.

Кристаллофизические оси x, y, z определяются тремя взаимно перпендикулярными главными направлениями в кристалле, которые совпадают с осями симметрии оптической индикатрисы в виде эллипсоида вращения. Ось вращения эллипсоида совпадает с оптической осью, т.е. с кристаллографической осью Z.

Таким образом, оптическая ось кристалла - это одно из главных направлений в кристалле, которое совпадает с кристаллографической осью Z и с кристаллофизической осью z.

Для определения оптических параметров анизотропных кристаллических пластинок известны метод рентгеноструктурного анализа и интерференционный метод.

Метод рентгеноструктурного анализа основан на явлении дифракции рентгеновских лучей и позволяет установить размеры и форму элементарной ячейки кристаллической структуры с последующим определением принадлежности кристалла к одной из групп симметрии, а также расположение оптической оси кристалла с большой степенью достоверности, но требует дорогостоящих стационарных установок и значительных затрат времени, что является проблемой, особенно, когда требуется быстрое (экспрессное) определение оптических параметров кристалла.

В основе интерференционного метода определения оптических параметров анизотропных кристаллических пластинок лежит явление интерференции. По виду интерференционной картины судят о расположении оптической оси кристалла. Интерференционный способ позволяет определить расположение оптической оси кристалла с большой степенью достоверности и не требует дорогостоящих стационарных установок и значительных затрат времени, являясь экспресс-методом определения положения оптической оси анизотропной кристаллической пластинки λ/4.

Известно, что вид интерференционной картины кристаллической пластинки зависит от поляризации излучения, падающего на пластинку, и от ее оптических параметров.

Известен способ определения положения кристаллофизических осей относительно вертикали в плоскости входной грани фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4 [Методы исследования оптических свойств кристаллов / Н.М.Меланхолин. - М.: Наука, 1970. 155 с.] по виду интерференционной (коноскопической) картины.

Для осуществления способа определения положения кристаллофизических осей используют оптическую систему, содержащую последовательно расположенные источник монохроматического излучения, поляризатор, предназначенный для преобразования входящего излучения в линейно поляризованное излучение, исследуемую кристаллическую пластинку, например фазовую анизотропную кристаллическую пластинку λ/4, предназначенную для внесения фазового сдвига между обыкновенным и необыкновенным лучами, анализатор, предназначенный для обеспечения интерференции, и экран, предназначенный для наблюдения интерференционной картины, установленные перпендикулярно оси оптической системы. Оси пропускания скрещенных поляризатора и анализатора расположены взаимно перпендикулярно.

Исследуемая фазовая анизотропная кристаллическая пластинка λ/4 вырезана так, что в плоскости ее входной грани расположены две перпендикулярные кристаллофизические оси, одна из которых является оптической осью.

Исследуемая фазовая анизотропная кристаллическая пластинка λ/4 установлена с возможностью ее поворота вокруг оси оптической системы.

Способ определения положения кристаллофизических осей относительно вертикали в плоскости входной грани фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4 заключается в следующем. Рассеянное монохроматическое излучение пропускают через поляризатор вдоль оси оптической системы. На выходе из поляризатора излучение преобразуется в рассеянное монохроматическое линейно поляризованное излучение.

Затем такое излучение направляют на исследуемую фазовую анизотропную кристаллическую пластинку λ/4, в которой каждый его луч разбивается на два когерентных луча - обыкновенный и необыкновенный с амплитудами колебаний векторов Е (Е_о≠Е_е). Обыкновенный и необыкновенный лучи на выходе из пластинки в каждом направлении приобретают соответствующий углу падения фазовый сдвиг Δ=const. В зависимости от величины фазового сдвига обыкновенный и необыкновенный лучи, складываясь, в каждом направлении становятся либо эллиптически, либо циркулярно, либо линейно поляризованными, которые пропускают через анализатор. Пройдя через анализатор, лучи с любым видом поляризации становятся линейно поляризованными с параллельными и разными по модулю векторами Е. Поэтому каждый луч создает свою интерференционную картину в виде светлой или черной точки на экране. Результатом суммирования светлых и черных точек является интерференционная (коноскопическая) картина на экране в виде двух систем гипербол со взаимно перпендикулярными осями симметрии. Положение двух кристаллофизических осей относительно вертикали в плоскости входной грани исследуемой фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4 устанавливают по их параллельности с осями симметрии, соединяющими вершины соосных гипербол в коноскопической картине.

При параллельности одной из кристаллофизических осей исследуемой пластинки с осью пропускания поляризатора излучение проходит через пластинку без изменения вектора Е, которое гасится и не пропускается анализатором на экран. Для определения положения кристаллофизических осей относительно вертикали в плоскости входной грани фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4 в этом случае исследуемую пластинку поворачивают вокруг оси оптической системы до появления на экране интерференционной (коноскопической) картины в виде двух систем гипербол.

Достоинством известного способа является возможность достоверного определения положения двух кристаллофизических осей относительно вертикали в плоскости входной грани фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4, а также простота их определения по коноскопической картине.

Недостаток известного способа заключается в ограничении функциональных возможностей способа определения положения кристаллофизических осей относительно вертикали в плоскости входной грани фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4, которое обусловлено невозможностью выделения оптической оси из двух кристаллофизических осей, лежащих в плоскости входной грани фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4.

Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является способ определения положения оптической оси фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4 по виду интерференционной картины [Оптическая технология /Под редакцией профессора, д.т.н. Э.С.Путилина /Учебное пособие. СПб.: СПб ГУ ИТМО, 2006. 108 с.].

Способ осуществляется в два этапа.

Для осуществления способа определения положения оптической оси фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4 на первом этапе используют оптическую систему, содержащую последовательно расположенные источник монохроматического излучения, поляризатор, предназначенный для преобразования входящего излучения в линейно поляризованное излучение, исследуемую фазовую анизотропную кристаллическую пластинку λ/4, оптическая ось которой лежит в плоскости входной грани, анализатор, предназначенный для обеспечения интерференции, и экран, предназначенный для наблюдения интерференционной картины, установленные перпендикулярно оси оптической системы.

Ось пропускания поляризатора, которая совмещена с нулевым отсчетом его лимба, устанавливают под углом 45° к вертикали. Ось пропускания анализатора, которая совмещена с нулевым отсчетом его лимба, устанавливают под углом 90° к оси пропускания поляризатора.

Исследуемая фазовая анизотропная кристаллическая пластинка λ/4 вырезана так, что в плоскости ее входной грани расположены две перпендикулярные кристаллофизические оси, одна из которых является оптической осью.

Исследуемую фазовую анизотропную кристаллическую пластинку λ/4 устанавливают с возможностью ее поворота вокруг оси оптической системы.

Способ определения положения оптической оси в плоскости входной грани фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4 заключается в следующем.

На первом этапе определяют положение двух кристаллофизических осей относительно вертикали в плоскости входной грани исследуемой фазовой кристаллической пластинки λ/4. Для этого вначале параллельное монохроматическое излучение пропускают вдоль оси оптической системы через поляризатор. На выходе поляризатора излучение преобразуется в параллельное монохроматическое линейно поляризованное излучение.

Затем такое излучение направляют на исследуемую фазовую анизотропную кристаллическую пластинку λ/4, в которой каждый его луч разбивается на два когерентных луча - обыкновенный и необыкновенный с амплитудами колебаний векторов Е (Е_о≠Е_е). Обыкновенный и необыкновенный лучи на выходе из пластинки приобретают одинаковый фазовый сдвиг Δ=π/2. В зависимости от величины Е_о и Е_е обыкновенный и необыкновенный лучи, складываясь, становятся либо эллиптически, либо циркулярно, либо линейно поляризованными.

Любое первоначально полученное поляризованное излучение пропускают через анализатор, после которого все лучи излучения становятся линейно поляризованными с параллельными и одинаковыми по модулю векторами Е. Поэтому каждый луч создает одинаковую интерференционную картину на экране. Результатом суммирования интерференционных картин является либо наличие светлой точки на экране, либо ее отсутствие.

Затем в случае получения на экране светлой точки поворачивают исследуемую фазовую анизотропную кристаллическую пластинку λ/4 до исчезновения на экране светлой точки, фиксируя угол поворота пластинки (например, с помощью лимба). Исчезновение на экране светлой точки обусловлено следующим. При повороте исследуемой фазовой кристаллической пластинки λ/4 происходит преобразование любого первоначально полученного поляризованного излучения, которое частично пропускается анализатором, о чем свидетельствует изменение интенсивности на экране светлой точки. Поворот исследуемой пластинки осуществляют, фиксируя угол ее поворота, до получения линейно поляризованного излучения с вектором Е, параллельным оси пропускания поляризатора, которое полностью поглощается анализатором (в силу скрещенности поляризатора и анализатора), о чем свидетельствует полное исчезновение на экране светлой точки. При этом направление одной из кристаллофизических осей в плоскости входной грани исследуемой пластинки совпадает с осью пропускания поляризатора.

Далее исследуемую фазовую анизотропную кристаллическую пластинку λ/4 продолжают поворачивать до образования следующей светлой точки и ее исчезновения. И вновь фиксируют угол поворота исследуемой пластинки с помощью ее лимба.

Процесс поворота исследуемой фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4 продолжается до исчезновения четырех светлых точек и фиксации соответствующих четырех значений углов при повороте пластинки на угол 360°.

По углам на лимбе исследуемой фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4 пластинки определяют положение двух взаимно перпендикулярных кристаллофизических осей относительно вертикали в плоскости ее входной грани.

На втором этапе определяют положение оптической оси относительно вертикали в плоскости входной грани исследуемой фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4.

Для этого вначале одну из кристаллофизических осей исследуемой фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4, определенную на первом этапе, ориентируют под 45° к оси пропускания поляризатора.

И снова параллельное монохроматическое излучение пропускают через поляризатор, после которого параллельное монохроматическое линейно поляризованное излучение направляют на исследуемую фазовую анизотропную кристаллическую пластинку λ/4, в которой оно разбивается на два когерентных луча - обыкновенный и необыкновенный с одинаковыми амплитудами колебаний векторов Е (Е_о=Е_е). Обыкновенный и необыкновенный лучи на выходе из пластинки приобретают одинаковый фазовый сдвиг Δ=π/2. Благодаря ориентации кристаллофизической оси исследуемой фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4 под 45° к оси пропускания поляризатора излучение на выходе из нее становится циркулярно поляризованным с фазовым сдвигом +π/2. Полученное циркулярно поляризованное излучение пропускают через анализатор, после которого все лучи излучения становятся линейно поляризованными с параллельными и одинаковыми по величине векторами Е, каждый луч которого создает одинаковую интерференционную картину на экране. Результатом суммирования интерференционных картин является наличие светлой точки на экране.

На втором этапе для выбора из двух кристаллофизических осей именно оптической оси между исследуемой фазовой анизотропной кристаллической пластинкой λ/4 и анализатором устанавливают фазовый компенсатор с возможностью поворота вокруг оси оптической системы. В качестве фазового компенсатора выбирают фазовую анизотропную кристаллическую пластинку λ/4, вырезанную из такого же кристалла и имеющую одинаковую толщину, что и исследуемая пластинка, например из оптически неактивного кристалла с известным расположением относительно вертикали оптической оси в плоскости входной грани. Оптическую ось фазового компенсатора совмещают с нулевым отсчетом его лимба, совмещенным, например, с вертикалью.

В фазовом компенсаторе циркулярно поляризованное излучение после исследуемой пластинки преобразуется в эллиптически поляризованное излучение, которое частично пропускается анализатором, о чем свидетельствует изменение интенсивности на экране светлой точки. При этом при повороте фазового компенсатора в нем циркулярно поляризованное излучение с фазовым сдвигом +π/2, становясь эллиптически поляризованным, приобретает дополнительный фазовый сдвиг между обыкновенным и необыкновенным лучами с противоположным знаком, частично компенсирующий первоначальный фазовый сдвиг.

Поворот фазового компенсатора осуществляют, фиксируя угол поворота, до полного исчезновения на экране светлой точки. Исчезновение на экране светлой точки свидетельствует, что в данный момент в компенсаторе циркулярно поляризованное излучение с фазовым сдвигом +π/2, ставшее линейно поляризованным, приобретает дополнительный фазовый сдвиг -π/2, который полностью компенсирует первоначальный фазовый сдвиг от исследуемой пластинки, что возможно только в случае перпендикулярности оптических осей исследуемой пластинки и компенсатора. Вектор Е линейно поляризованного излучения с фазовым сдвигом, равным нулю, сохраняет параллельность оси пропускания поляризатора. Такое излучение в силу скрещенности поляризатора и анализатора полностью поглощается анализатором и не пропускается на экран, на котором наблюдается исчезновение светлой точки.

Далее фазовый компенсатор продолжают поворачивать до образования следующей светлой точки и ее исчезновения при его повороте на 360°.

Исчезновение следующей светлой точки на экране после поворота компенсатора на 180° также подтверждает перпендикулярность оптических осей исследуемой пластинки и компенсатора.

Положение оптической оси исследуемой фазовой кристаллической пластинки λ/4 определяют по положению оптической оси фазового компенсатора, выбирая из двух кристаллофизических осей исследуемой пластинки, определенных на первом этапе, ту кристаллофизическую ось, которая перпендикулярна оптической оси компенсатора, направление которой в плоскости входной грани изначально известно.

Достоинством известного способа является возможность определения положения оптической оси в плоскости входной грани исследуемой фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4.

Недостаток известного способа заключается в значительной погрешности определения положения оптической оси относительно вертикали в плоскости входной грани фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4 при тестировании значительного количества фазовых кристаллических пластинок, что обусловлено трудностью или даже невозможностью подбора фазовых компенсаторов с известными оптическими параметрами, идентичными с параметрами исследуемой пластинки.

Кроме того, определение требует значительных временных затрат, что обусловлено несколькими этапами определения положения оптической оси в плоскости входной грани фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4.

Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке способа определения положения оптической оси фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4, позволяющего определить с достаточной быстротой точное положение оптической оси в плоскости входной грани исследуемой фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4 при массовом тестировании фазовых кристаллических пластинок произвольной толщины за счет создания в ней оптического вихря анизотропным кристаллическим фазовым компенсатором с оптической осью, перпендикулярной его входной грани.

Для решения поставленной задачи в способе определения положения оптической оси фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4, заключающемся в пропускании параллельного монохроматического излучения через оптическую систему, содержащую установленные перпендикулярно оси оптической системы поляризатор, предназначенный для преобразования входящего излучения в линейно поляризованное монохроматического излучение, исследуемую фазовую анизотропную кристаллическую пластинку λ/4, фазовый компенсатор, вырезанный из оптически неактивного кристалла, анализатор, предназначенный для обеспечения интерференции, ось пропускания которого расположена взаимно перпендикулярно оси пропускания поляризатора, и экран, предназначенный для наблюдения интерференционной картины, и в получении путем поворота исследуемой кристаллической пластинки вокруг оси оптической системы интерференционной картины определенного вида, по которой определяют положение оптической оси относительно вертикали в плоскости входной грани исследуемой фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4, в оптическую систему между исследуемой пластинкой и фазовым компенсатором устанавливают рассеиватель, в качестве фазового компенсатора выбирают анизотропную кристаллическую пластинку, входная грань которой перпендикулярна ее оптической оси, получают интерференционную коноскопическую картину в виде светлого «мальтийского креста» с двумя симметричными относительно центра картины черными точками между ветвями креста на фоне колец-изохром с интенсивностью, изменяющейся в каждом кольце от максимума к минимуму при переходе через ветви «мальтийского креста», и положение оптической оси в плоскости входной грани исследуемой фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4 устанавливают по ее параллельности с линией, соединяющей две черные точки в коноскопической картине.

Заявляемый способ отличается от прототипа тем, что в оптическую систему между исследуемой пластинкой и фазовым компенсатором устанавливают рассеиватель, в качестве фазового компенсатора выбирают анизотропную кристаллическую пластинку, входная грань которой перпендикулярна ее оптической оси, получают интерференционную коноскопическую картину в виде светлого «мальтийского креста» с двумя симметричными относительно центра картины черными точками между ветвями креста на фоне колец-изохром с интенсивностью, изменяющейся в каждом кольце от максимума к минимуму при переходе через ветви «мальтийского креста», и положение оптической оси в плоскости входной грани исследуемой фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4 устанавливают по ее параллельности с линией, соединяющей две черные точки в коноскопической картине. Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «новизна».

Введение в оптическую систему рассеивателя, установленного между исследуемой пластинкой и фазовым компенсатором, выбор в качестве фазового компенсатора анизотропной кристаллической пластинки, входная грань которой перпендикулярна ее оптической оси, получение интерференционной коноскопической картины в виде светлого «мальтийского креста» с двумя симметричными относительно центра картины черными точками между ветвями креста на фоне колец-изохром с интенсивностью, изменяющейся в каждом кольце от максимума к минимуму при переходе через ветви «мальтийского креста», и установление положения оптической оси в плоскости входной грани исследуемой фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4 по ее параллельности с линией, соединяющей две черные точки в коноскопической картине, позволяет с достаточной быстротой определить точное положение оптической оси в плоскости входной грани фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4 при массовом тестировании фазовых кристаллических пластинок произвольной толщины.

Это обусловлено следующими причинами.

Интерференционная картина в виде светлого «мальтийского креста» с двумя симметричными относительно центра картины черными точками между ветвями креста на фоне колец-изохром с интенсивностью, изменяющейся в каждом кольце от максимума к минимуму при переходе через ветви «мальтийского креста», по которой устанавливают расположение оптической оси в плоскости входной грани фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4, создается благодаря прохождению монохроматического излучения через оптическую систему, в которой оно преобразуется вначале в рассеянное циркулярно поляризованное излучение, затем в неоднородно поляризованное излучение с последующим преобразованием в линейно поляризованное излучение, падающее на экран. При этом картина имеет такой вид при любом взаимном расположении осей пропускания поляризатора и анализатора, и она свидетельствует, что распространение циркулярно поляризованного излучения в фазовом компенсаторе произвольной толщины из оптически неактивного кристалла с входной гранью, перпендикулярной его оптической оси, приводит к появлению в излучении оптического вихря, который регистрируется на интерференционной картине в виде двух черных точек в ее центре.

Экспериментально установлено, что только при скрещенном взаимном расположении поляризатора и анализатора происходит совпадение линии, проведенной на картине через две черные точки, с оптической осью в плоскости входной грани исследуемой фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4.

Такое совпадение позволяет установить расположение оптической оси в плоскости ее входной грани, и такое совпадение отсутствует при любом другом расположении поляризатора и анализатора, что не позволяет установить расположение оптической оси в плоскости входной грани исследуемой фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4.

Таким образом, причинно-следственная связь «Введение в оптическую систему рассеивателя, установленного между исследуемой пластинкой и фазовым компенсатором, выбор в качестве фазового компенсатора анизотропной кристаллической пластинки произвольной толщины из оптически неактивного кристалла, входная грань которой перпендикулярна ее оптической оси, получение интерференционной коноскопической картины в виде светлого «мальтийского креста» с двумя симметричными относительно центра картины черными точками между ветвями креста на фоне колец-изохром с интенсивностью, изменяющейся в каждом кольце от максимума к минимуму при переходе через ветви «мальтийского креста», и установление положения оптической оси в плоскости входной грани исследуемой фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4 по ее параллельности с линией, соединяющей две черные точки в коноскопической картине, позволяет с достаточной быстротой определить точное положение оптической оси в плоскости входной грани исследуемой фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4 при массовом тестировании исследуемых фазовых кристаллических пластинок не зависимо от толщины фазового компенсатора, явным образом не следует из уровня техники. Наличие существенных отличительных признаков в заявляемом способе приводит к новому техническому результату, не обнаруженному в уровне техники, что свидетельствует о соответствии заявляемого способа критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых представлены на чертеже схема оптической системы определения положения оптической оси фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4.

Для осуществления способа определения положения оптической оси фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4 используют оптическую систему, содержащую источник монохроматического излучения 1, установленные перпендикулярно оси оптической системы поляризатор 2, предназначенный для преобразования входящего излучения в линейно поляризованное излучение, исследуемую фазовую анизотропную кристаллическую пластинку λ/4 (четвертьволновую пластинку) 3, диффузный рассеиватель 4, предназначенный для преобразования параллельного монохроматического излучения в рассеянное монохроматическое излучение, фазовый компенсатор 5, анализатор 6, предназначенный для обеспечения интерференции, и экран 7, предназначенный для наблюдения интерференционной (коноскопической) картины.

Оси пропускания скрещенных поляризатора 2 и анализатора 6 расположены взаимно перпендикулярно.

Исследуемая фазовая анизотропная кристаллическая четвертьволновая пластинка 3 вырезана так, что в плоскости ее входной грани расположены две перпендикулярные кристаллофизические оси, одна из которых является оптической осью, и установлена так, что ее третья кристаллофизическая ось совпадает с оптической осью системы.

Диффузный рассеиватель 4 представляет собой пластинку, выполненную из матового стекла, имеющего шероховатую поверхность.

Фазовый компенсатор 5 произвольной толщины вырезан из оптически неактивного кристалла, например из кристалла ниобата лития LiNbO₃, две перпендикулярные кристаллофизические оси расположены в плоскости его входной грани, третья кристаллофизическая ось, которая является его оптической осью, совпадает с осью оптической системы.

При подготовке оптической системы к работе ось пропускания поляризатора 2, которая совмещена с нулевым отсчетом его лимба, устанавливают под углом 45° к вертикали. Ось пропускания анализатора 6, которая совмещена с нулевым отсчетом его лимба, устанавливают под углом 90° к оси пропускания поляризатора 2.

Способ осуществляют следующим образом.

Через оптическую систему пропускают параллельное монохроматическое излучение, например излучение He-Ne лазера (λ=0,6328 мкм).

Параллельное монохроматическое излучение пропускают через поляризатор 2, на выходе из которого излучение преобразуется в линейно поляризованное параллельное монохроматическое излучение. Попадая на исследуемую фазовую анизотропную кристаллическую четвертьволновую пластинку 3, каждый луч такого излучения разбивается на два когерентных луча - обыкновенный и необыкновенный с амплитудами колебаний векторов Е (Е_о≠Е_е). Обыкновенный и необыкновенный лучи на выходе из пластинки 3 приобретают одинаковый фазовый сдвиг Δ=π/2. В зависимости от величины Е_о и Е_е обыкновенный и необыкновенный лучи, складываясь, становятся либо эллиптически, либо циркулярно, либо линейно поляризованными.

Любое полученное поляризованное параллельное монохроматическое излучение пропускают через диффузный рассеиватель 4, на выходе из которого излучение преобразуется в рассеянное поляризованное монохроматическое излучение с сохранением вида поляризации.

Попадая на фазовый компенсатор 5, каждый луч такого излучения разбивается на два когерентных луча - обыкновенный и необыкновенный с амплитудами колебаний векторов Е (Е_о≠Е_е). Обыкновенный и необыкновенный лучи на выходе из фазового компенсатора 5 приобретают соответствующий углу падения фазовый сдвиг. Каждому лучу соответствует свой фазовый сдвиг Δ₁=const, Δ₂=const и т.д., величина которого зависит от угла падения луча в рассеянном излучении. В целом рассеянное излучение после фазового компенсатора 5 содержит лучи с различными фазовыми сдвигами. Лучи в зависимости от поляризации излучения на входе в фазовый компенсатор 5 и от соответствующего фазового сдвига между обыкновенным и необыкновенным лучами на выходе из него складываются, становясь в каждом направлении либо эллиптически, либо циркулярно, либо линейно поляризованными. Таким образом рассеянное излучение после фазового компенсатора 5 становится неоднородно поляризованным.

Пройдя через анализатор 6, лучи с любым видом поляризации в каждом направлении становятся линейно поляризованными и имеют разные по модулю амплитуды колебаний векторов Е. Поэтому в каждом направлении обыкновенный и необыкновенный лучи интерферируют и создают свою интерференционную картину в виде светлой или черной точки на экране 7, при суммировании которых получают различные коноскопические картины в зависимости от вида поляризации излучения на выходе фазового компенсатора 5. Коноскопические картины имеют вид либо черного «мальтийского креста» на фоне концентрических колец-изохром одинаковой интенсивности, либо светлого «мальтийского креста» с двумя симметричными относительно центра картины черными точками между ветвями креста на фоне колец-изохром с интенсивностью, изменяющейся в каждом кольце от максимума к минимуму при переходе через ветви «мальтийского креста», либо черного «мальтийского креста» с разрывом в центре на две части на фоне колец-изохром с интенсивностью, изменяющейся в каждом кольце от максимума к минимуму при переходе через ветви «мальтийского креста».

Далее исследуемую фазовую анизотропную кристаллическую четвертьволновую пластинку 3 поворачивают до получения на экране 7 коноскопической картины в виде светлого «мальтийского креста» с двумя симметричными относительно центра картины черными точками между ветвями креста на фоне колец-изохром с интенсивностью, изменяющейся в каждом кольце от максимума к минимуму при переходе через ветви «мальтийского креста».

Создание такой картины обусловлено тем, что при повороте исследуемой фазовой анизотропной кристаллической четвертьволновой пластинки 3 амплитуды векторов E_o и E_е обыкновенного и необыкновенного лучей в ней изменяются при сохранении фазового сдвига между ними Δ=π/2, что приводит к изменению поляризации параллельного монохроматического излучения на выходе из пластинки 3. В случае равенства амплитуд векторов E_о и E_е обыкновенного и необыкновенного лучей с фазовым сдвигом между ними Δ=π/2, когда угол между осью пропускания поляризатора 2 и одной из кристаллофизических осей в плоскости входной грани исследуемой фазовой анизотропной кристаллической четвертьволновой пластинки 3 равен 45°, на выходе из пластинки 3 получают циркулярно поляризованное параллельное монохроматическое излучение.

Такое излучение после диффузного рассеивателя 4 преобразуется в рассеянное циркулярно поляризованное монохроматическое излучение.

Преобразованное излучение, попадая в фазовый компенсатор 5, содержит обыкновенный и необыкновенный лучи с амплитудами колебаний векторов Е(Е_о≠Е_е) и фазовым сдвигом Δ=π/2 и в каждом направлении приобретают дополнительный фазовый сдвиг, соответствующий углу падения. Каждому лучу соответствует свой фазовый сдвиг Δ₁=const, Δ₂=const и т.д., величина которого зависит от угла падения луча в рассеянном излучении.

В целом рассеянное излучение после фазового компенсатора 5 содержит лучи с различными фазовыми сдвигами. В зависимости от фазового сдвига между обыкновенным и необыкновенным лучами, соответствующего углу падения, на выходе из фазового компенсатора 5, лучи, складываясь, в каждом направлении становятся либо эллиптически, либо циркулярно, либо линейно поляризованными. Таким образом, рассеянное излучение после фазового компенсатора 5 становится неоднородно поляризованным и содержит оптический вихрь [Воляр, А.В. Оптические вихри в кристаллах: рождение, уничтожение и распад поляризационных омбилик / А.В.Воляр, Т.А.Фадеева // Письма в ЖТФ. - 2003. - т.29. - вып.3. - С.58-64].

Пройдя через анализатор 6, все поляризованные лучи становятся линейно поляризованными и имеют разные по модулю вектора Е. Поэтому в каждом направлении обыкновенный и необыкновенный лучи интерферируют и создают свою интерференционную картину в виде светлой или черной точки на экране 7.

Результатом суммирования по всем направлениям светлых и черных точек является интерференционная (коноскопическая) картина в виде светлого «мальтийского креста» на фоне колец-изохром с интенсивностью, изменяющейся в каждом кольце от максимума к минимуму при переходе через ветви «мальтийского креста», с двумя симметричными относительно центра картины черными точками, обусловленными действием оптического вихря в излучении и расположенными между ветвями креста.

Возможны два варианта расположения двух симметричных относительно центра картины черных точек между ветвями креста. Они располагаются или на горизонтали, или на вертикали, что обусловлено установкой оси пропускания поляризатора под углом 45° с вертикалью.

Положение оптической оси в плоскости входной грани исследуемой фазовой анизотропной кристаллической четвертьволновой пластинки 3 устанавливают из условия, что оптическая ось параллельна линии, соединяющей две черные точки в коноскопической картине.

Следовательно, оптическая ось располагается или по вертикали, или по горизонтали в плоскости входной грани исследуемой фазовой анизотропной кристаллической четвертьволновой пластинки 3.

Эксперимент проведен в научно-исследовательской лаборатории оптики на кафедре физики ДВГУПС. Способ определения положения оптической оси фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4 осуществляют, как описано выше. Положение оптической оси определялось для 12 фазовых анизотропных кристаллических пластинок λ/4, результаты по 6 из которых приведены в таблице 1.

При проведении эксперимента в оптической системе в качестве источника параллельного монохроматического излучения используют излучение гелий-неонового лазера с длиной волны 0,6328 мкм. В качестве поляризатора и анализатора используют поляроиды ПФ36, оси пропускания которых совмещены с нулевыми отсчетами на их лимбах.

В качестве диффузного рассеивателя выбирают матовую пластинку из стекла, имеющую шероховатую поверхность.

Положение оптической оси для каждой исследуемой фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4 определяют с помощью трех различных фазовых компенсаторов.

Результаты эксперимента фиксируют цифровой фотокамеро