Особенности формирования коноскопических картин одноосных оптических кристаллов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат физико-математических наук Пикуль, Ольга Юрьевна

• Пикуль, Ольга Юрьевна
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Пикуль, Ольга Юрьевна

4f ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ В СХОДЯЩИХСЯ ПУЧКАХ ИЗЛУЧЕНИЯ

1.1. Уравнения Максвелла. Уравнения связи.

1.2. Коноскопический метод исследования кристаллов.

1.3. Поляризационные измерения.

1.4. Оптические фазовые пластинки.

1.5. Нетрадиционное описание оптических пучков излучения.

1.6. Теории явления оптической активности.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 2. ОСОБЕННОСТИ КОНОСКОПИЧЕСКОГО МЕТОДА ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ОДНООСНЫМ ОПТИЧЕСКИМ КРИСТАЛЛАМ.

2.1. Световые пучки, прошедшие через плоскопараллельную кристаллическую пластинку.

2.2. Характерные особенности оптической системы для создания коноскопических картин больших размеров.

2.3. Влияние углового распределения интенсивности излучения на коноскопическую картину кристалла.

2.4. Распределение интенсивности излучения в коноскопической картине кристалла.

2.5. Особенности формирования «мальтийского креста».

2.6. Одновременное наблюдение двух коноскопических картин.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3. КОНОСКОПИЧЕСКИЕ КАРТИНЫ ОДНООСНЫХ ОПТИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ И ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ.

3.1. Определение оптического знака кристалла.

3.2. Наблюдение коноскопических картин с циркулярно и эллиптически поляризованным излучением.

3.3. Изменение форм поляризации пучков излучения.

3.4. Устройство для преобразования форм поляризации излучения.

3.5. Поляризационная неустойчивость коноскопических картин оптических кристаллов.

3.6. Сравнительный анализ поляризационных свойств кристаллических пластинок с различным расположением оптической оси.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4. КОНОСКОПИЧЕСКИЕ КАРТИНЫ ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ КРИСТАЛЛОВ.

4.1. Дисперсия оптической активности в модели связанных осцилляторов.

4.2. Волны гирации в оптических кристаллах.

4.3. Определение угловой апертурной характеристики оптической активности кристалла.

4.4. Способ определения направления вращения плоскости поляризации излучения по спиралевидной структуре в коноскопических картинах оптически активных кристаллов.

4.5. Особенности коноскопических картин кристаллических пластинок разной толщины.

4.6. Коноскопические картины оптических кварцевых линз.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности формирования коноскопических картин одноосных оптических кристаллов»

Получение информации об оптических свойствах кристаллов с помощью интерференционного (коноскопического) метода привлекает многих исследователей в течение довольно продолжительного времени возможностью получения многообразия оптических параметров и характеристик.

Вместе с тем, небольшой масштаб коноскопической картины, наблюдаемой в поляризационном микроскопе, малый размер кристаллов, узкое поле зрения, связанное с небольшой угловой апертурой светового пучка, ограничивают возможности использования коноскопического метода.

В настоящей работе показана возможность наблюдения коноскопических картин большого масштаба на примере кристаллов ниобата лития (LiNb03), DKDP (KD2PO4), парателлурита (Те02), иодата лития (LiI03), кварца (Si02), приводящая к расширению функциональных возможностей коноскопического метода, что позволяет:

- применять коноскопический метод к исследованию оптических свойств оптически активных кристаллов, изменяя форму поляризации излучения и используя в этом методе циркулярно и эллиптически поляризованное излучение;

- исследовать влияние углового распределения интенсивности используемых световых пучков на коноскопическую картину;

- определять условия возникновения двойного «мальтийского креста»; возможность наблюдения двойных коноскопических картин и определения оптического знака кристалла;

- использовать возможность нетрадиционного задания всех форм поляризации излучения;

- исследовать интерференционные явления в системе из нескольких оптических элементов, в том числе с оптическими кварцевыми линзами.

Следует отметить, что изменение формы поляризации падающего на оптический кристалл излучения приводит к весьма необычным коноскопическим картинам, открывающим новые возможности их практического применения в различных оптических устройствах. Кроме того, коноскопические картины, получаемые с различной поляризацией излучения, могут служить для визуализации форм поляризации излучения.

В связи с вышеизложенным экспериментальные и теоретические исследования, выполненные автором, являются актуальными.

Цель работы заключается в выявлении особенностей формирования коно-скопических картин при исследовании одноосных кристаллов в сходящемся излучении. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать и создать экспериментальные установки для исследования коноскопических картин с различной поляризацией падающего излучения и для измерения интенсивности излучения, прошедшего через поляризационную систему (поляризатор - фазовая пластинка - кристалл - анализатор) при наклонном падении излучения.

2. Проанализировать изменение форм поляризации пучков излучения с использованием фазовых пластинок с различным расположением оптической оси.

3. Выявить влияние углового распределения интенсивности линейно поляризованного излучения на коноскопическую картину кристалла.

4. Исследовать особенности формирования «мальтийского креста» в коноскопических картинах неактивных и оптически активных кристаллов при произвольном расположении поляризатора и анализатора.

5. Исследовать спиралевидную структуру в коноскопических картинах оптически активных кристаллов с циркулярно поляризованным излучением.

6. Исследовать коноскопические картины оптических кристаллов с эллиптически поляризованным излучением.

7. Проанализировать особенности коноскопических картин оптически активных кристаллических пластинок разной толщины.

8. Рассмотреть коноскопические картины оптических кварцевых линз и интерференционные явления в системе нескольких кристаллических пластинок при различном расположении поляризатора и анализатора.

В результате проведения теоретических и экспериментальных исследований поставленные задачи решены, цель достигнута. Полученные в диссертационной работе научные результаты открывают новые возможности применения коноскопического метода в устройствах и способах, относящихся к области оптического приборостроения, для исследования оптических свойств кристаллов.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Оптика», Пикуль, Ольга Юрьевна

ВЫВОДЫ

1. В параграфе 4.1 на основе модели в виде связанных осцилляторов получено точное выражение для дисперсии угла поворота плоскости поляризации излучения для случая осцилляторов с различными частотами.

2. В параграфе 4.2 рассмотрено альтернативное описание явления оптической активности в кристалле на основе волны гирации.

3. В параграфе 4.3 предложен и реализован способ определения угловой апертурной характеристики оптической активности кристалла.

4. В параграфе 4.4 предложен и реализован способ определения направления вращения плоскости поляризации излучения в оптически активном кристалле на основе спиралевидной структуры в его коноскопической картине с циркулярно поляризованным излучением.

5. В параграфе 4.5 определено, что при небольшой толщине и малой величине удельной оптической активности оптически активные кристаллы проявляют свойства, как кристаллы только с двулучепреломлением. При увеличении толщины кристалла влияние оптической активности кристалла на коноскопические картины возрастает. Одной из главных деталей такого влияния является исчезновение «мальтийского креста» по центру коноскопической картины.

6. В параграфе 4.6 приведены коноскопические картины оптических кварцевых линз, а также системы из кварцевой линзы и плоскопараллельной пластинки парателлурита при изменении поляризации излучения. Показана возможность определения знака вращения плоскости поляризации излучения в элементах названной системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• Проведены исследования коноскопического метода наблюдения интерференционных картин в сходящихся пучках излучения в одноосных оптических кристаллах.

• Создана экспериментальная установка для наблюдения крупномасштабных коноскопических картин с различной поляризацией излучения.

• Систематизированы сведения об изменении поляризационной структуры пучка излучения, выходящего из кристаллической пластинки, по сравнению с поляризацией входящего пучка.

• Выявлено влияние угловой расходимости интенсивности излучения в пучке на вид «мальтийского креста» в коноскопической картине.

• Рассчитаны коноскопические картины кристаллических пластинок, вырезанных параллельно оптической оси, при повороте анализатора. Теоретические коноскопические картины совпадают с экспериментально полученными.

• Установлена возможность наблюдения двойного «мальтийского креста».

• Определены условия регистрации двойных (дополнительных друг к другу) коноскопических картин на экране и на поверхности поляроида.

• Предложено и реализовано использование фазовой пластинки для определения по коноскопической картине оптического знака кристаллических пластинок, вырезанных перпендикулярно и параллельно оптической оси.

• Выявлена поляризационная неустойчивость коноскопических картин кристаллических пластинок, вырезанных перпендикулярно оптической оси.

• Установлено соответствие коноскопических картин оптически неактивных и активных кристаллов формам поляризации излучения, полученных поворотом фазовой пластинки А/4 вокруг нормали к входной грани, поворотом поляризатора и новым нетрадиционным способом - поворотом фазовой пластинки A/4 вокруг вертикальной оси, совпадающей с одной из кристаллофизических осей.

• Предложено и реализовано новое устройство для преобразования форм поляризации излучения.

• Установлено отсутствие явной поляризационной зависимости в коноскопических картинах кристаллических пластинок, вырезанных параллельно оптической оси. Для таких кристаллических пластинок значительной толщины наблюдается изменение коноскопических картин при небольшом изменении толщины кристалла.

• Получены результаты по изменению форм поляризации излучения с помощью кристаллической пластинки, вырезанной перпендикулярно оптической оси.

• На основе модели в виде связанных осцилляторов получено точное выражение для дисперсии угла поворота плоскости поляризации излучения для случая осцилляторов с различными частотами.

• Продолжены исследования коноскопическим методом оптически активных кристаллов, в том числе и световых волн, возникающих в кристаллах за счет наличия оптической активности (волн гирации).

• Предложен и реализован способ определения угловой апертурной характеристики оптической активности кристалла.

• Выявлена спиралевидная структура в коноскопических картинах оптически активных кристаллов с циркулярно поляризованным излучением. На ее основе предложен и реализован способ определения направления вращения плоскости поляризации излучения в оптически активном кристалле.

• Показана зависимость вида коноскопической картины от толщины оптически активного кристалла.

• Зарегистрированы своеобразные коноскопические картины для системы, состоящей из совокупности оптически активных кристаллических пластинок (спирали Эйри) и коноскопические картины оптических кварцевых линз.

128

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Пикуль, Ольга Юрьевна, 2005 год

1. Пикуль, О. Ю. 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. Толстое, В. В. Криштоп // ИВУЗ. Приборостроение. 2004. - № 12. - С. 53-55.

2. Пикуль, О. Ю. Поляризационная неустойчивость и сверхчувствительность коноскопических фигур оптических кристаллов / О. Ю. Пикуль, К. А. Рудой, В. И. Строганов, Б. И. Кидяров, П. Г. Пасько // ИВУЗ. Приборостроение.- 2005. №9. -С. 37-41.

3. Пикуль, О. Ю. Спиралевидная структура в коноскопических фигурах оптически активных кристаллов / О. Ю. Пикуль, К. А. Рудой, А. И. Лива-швили, В. И. Доронин, В. И. Строганов //Оптический журнал. — 2005. — т. 72 № 2. - С. 69-70.

4. Ливашвили, А. И. О микроскопической теории оптической активности (классический подход) / А. И. Ливашвили, О. Ю. Пикуль // Бюллетень научных сообщений №8 / Под ред. В. И. Строганова. Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2004. - С. 35-41.

5. Пикуль, О. Ю. Распределение интенсивности излучения в коноскопической картине кристалла / О. Ю. Пикуль, В. И. Строганов // Бюллетень научных сообщений № 9. Сборник научных трудов / Под ред В. И. Строганова. Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2005. - С. 57-59.

6. Пикуль, О. Ю. Особенности коноскопических картин кристаллических пластинок из кварца различной толщины / О. Ю. Пикуль, В. И. Строганов

7. Бюллетень научных сообщений № 10. Сборник научных трудов / Под ред. В. И. Строганова. Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2005. - С. 37-40.

8. Пикуль, О. Ю. Коноскопические картины оптических кварцевых линз / О. Ю. Пикуль, В. И. Строганов // Бюллетень научных сообщений № 10. Сборник научных трудов / Под ред. В. И. Строганова. Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2005. - С. 41-44.

9. Пикуль, О. Ю. Определение оптического знака кристалла по коноскопической картине / О. Ю. Пикуль, В. И. Строганов // Бюллетень научных сообщений № 10. Сборник научных трудов / Под ред. В. И. Строганова. — Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2005. С. 73-78.

10. Константинова, А. Ф. Оптические свойства кристаллов / А. Ф. Константинова, Б. И. Гречушников, Б. В. Бокуть, Е. Г. Валяшко. Минск.: Наука и техника, 1995. - 302 с.

11. Най, Дж. Физические свойства кристаллов / Дж. Най. — М. : Мир, 1967, — 385 с.

12. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г. Корн, Т. Корн. М.: Наука, 1977. - 832 с.

13. Федоров, Ф. И. Теория гиротропии / Ф.И. Федоров. Минск. : Наука и техника, 1976. - 456 с.

14. Шубников, А. В. Основы оптической кристаллографии / А. В. Шубников. М.: Изд-во АН СССР, 1958. - 207 с.

15. Меланхолин, Н. М. Методы исследования оптических свойств кристаллов / Н. М. Меланхолии. М.: Наука, 1970. - 155 с.

16. Сиротин, Ю. И. Основы кристаллофизики / Ю. И. Сиротин, М. П. Шаскольская. — М.: Наука, 1979. 640 с.

17. Рудой, К. А. Коноскопические картины оптически активных кристаллов парателлурита и иодата лития : дисс. . канд. физ.-мат. наук : 01.04.05 : защищена 17.12.03 : 12.03.04 / Рудой Константин Александрович. Хабаровск, 2003. - 119 с.

18. Рудой, К. А. Особенности коноскопических картин двупреломляющих гиротропных кристаллов / К. А. Рудой, Л. В. Алексеева, Б. И. Кидяров, В. И. Строганов // Бюллетень научных сообщений № 7, Хабаровск: Изд-во ДВГУПС. 2002. - С. 60 - 68.

19. Рудой, К. А. Коноскопические фигуры в системе двух кристаллических пластинок из оптически активных кристаллов / К. А. Рудой, В. И. Строганов, Б. И. Кидяров, Ж. Е. Дударь // ИВУЗ. Приборостроение. 2003. — Т.46.-№ З.-С. 57-60.

20. Yu, Zhou. Nearly-off-axis transmissivity of Sole birefringent filters / Zhou Yu, Liu Liren, Zhang Juan, Liu De'an, Luan Zhu // J. Opt. Soc. Amer. A. — 2003. — 20 — № 4. P. 733-740.

21. Карпец, Ю. М. Коноскопические фигуры нового вида / Ю. М. Карпец, В. И. Строганов, А. В. Сюй // Нелинейная оптика: Сборник научных трудов / Под ред. В.И. Строганова. Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2000. - С. 5760.

22. Mamedov, Nazim. Light figures and group-to-phase velocity ratio in anisotropic media / Nazim Mamedov, Yamamoto Nobuyki, Kunie Akimori // Jpn. J. Appl. Phys. 2001. - vol. 40. - № 40. - p. 4938-4942.

23. Nobuyki,Yamamoto. Vizualization of light dispersion and structural phase transitions with light figures/ Yamamoto Nobuyki, Nazim Mamedov, Shino-hara Takashi, Kunie Akimori // J. Cryst. Growth. 2002. - 237-239 - P. 20232027.

24. Tentory, Diana. Conoscopic evalution of the birefringence of gradient-index lenses: infidelity sources / Diana Tentory, Camacho Javier // Applied Optics. -2002. vol. 41. - № 34. - P. 7218-7228.

25. Желудев, И. С. Электрические кристаллы / И. С. Желудев. М. : Наука, 1979.-200 с.

26. Штукенберг А. Г. Оптические аномалии в кристаллах / А.Г. Штукенберг, Ю. О. Пунин. СПб.: Наука, 2004. - 263 с.

27. Шерклифф, У. Поляризованный свет / У. Шерклифф. М. : Мир, 1965. -264 с.

28. Мустель Е. Р. Методы модуляции и сканирования света / Е. Р. Мустель, В. Н. Парыгин. М.: Наука, 1970. - 179 с.

29. Аззам, Р. Эллипсометрия и поляризованный свет / Р. Аззам, Н. Башара. — М.: Мир, 1981.- 638 с.

30. Волкова, Е. А. Поляризационные измерения/ Е. А. Волкова. М. : издательство стандартов, 1974. - 156 с.

31. Ярив, А. Оптические волны в кристаллах / А. Ярив, П. Юх. М. : Мир, 1987.-616 с.51 .Жевандров, Н. Д. Поляризация света / Н. Д. Жевандров. — Москва.: Издательство «Наука», 1969. 192 с.

32. Панков, Э. Д. Поляризационные угломеры / Э. Д. Панков, В. В. Коротаев. -М.: Недра, 1991.-240 с.

33. Виноградова, Т. А. Оптические интерференционно-поляризационные фильтры / Т. А. Виноградова, С. Б. Иоффе, Б. В. Кузнецов // Труды ГОИ : Т.72.: вып.206.; Ленинград, 1989. 162 с.

34. Калдыбаев, К. А. Гиротропия одноосных поглощающих кристаллов /К. А. Калдыбаев , А. Ф. Константинова, 3. Б. Перекалина М. : Изд-во Институт Социально-экономических и производственно-экологических проблем инвестирования, 2000. — 300 с.

35. Джерард, А. Введение в матричную оптику / А. Джерард, Дж. М. Берч — М.: Наука, 1978.-336 с.

36. Ландсберг, Г. С. Оптика / Г. С. Ландсберг. М.: Наука, 1957. - 760 с.

37. П1ишловский, А. А. Прикладная физическая оптика / А. А. Шишловский. -М.: Физматгиз, 1961. 822 с.

38. Гольцер, И. В. Оптически активный аналог четвертьволновой пластинки / И. В. Гольцер, М. Я. Даршт, Б. Я. Зельдович, Н. Д. Кундикова // Квантовая электроника. 1993. - т.20. - № 9. - С. 916-918.

39. Чудаков, В. С. Составные фазовые пластинки с разнотолщинными элементами / В. С. Чудаков // Кристаллография. 2003. - т.48. - № 5 - С. 893-896.

40. Витязев, А. В. Влияние поворотов линейных фазовых пластинок на состояние поляризации излучения / А. В. Витязев, В. А. Демченко, В. В. Коротаев // Оптический журнал. 1998. - т. 65. - № 1. - С. 34-37.

41. Витязев, А. В. Влияние поворотов пленочных поляроидов на состояние поляризации излучения / А. В. Витязев, В. А. Демченко, В. В. Коротаев // Оптический журнал. 1998. - т. 65. - № 1. - С. 38-40.

42. Пат. № 2006800 Российская Федерация, МПК5 G 01 J 4/02. Устройство для управления поляризацией излучения / Бергер Н. К. ; заявитель и патентообладатель Хабаровский политехи, ин-т. — № 4930711/25 ; заявл. 22.04.91 ; опубл. 30.01.94, Бюл. № 2. 1 с.: ил.

43. Титов, Е. А. Гауссовы пучки и оптические резонаторы / Е. А. Титов. Учеб. пособие. Новосибирск : Изд-во НГТУ, 1998. - 1998. - 78 с.

44. Воляр, А. В. Оптика сингулярностей поля маломодового волокна. II. Оптические вихри / А. В. Воляр, Т. А. Фадеева // Оптика и спектроскопия. -1998. т. 85. - № 2. - С. 295-303.

45. Воляр, А. В. Вращение волнового фронта оптического вихря в свободном пространстве / А. В. Воляр, В. Г Шведов, Т. А. Фадеева // Письма в ЖТФ. 1999. - т. 25. - вып. 5. - С. 87-94.

46. A. Егоров // Письма в ЖТФ. 2002. - т. 28. - вып. 22. - С. 70-77.

47. Воляр, А. В. Генерация сингулярных пучков в одноосных кристаллах / А.

48. B. Воляр, Т. А. Фадеева // Оптика и спектроскопия. 2001. - т. 94. — № 2. -С. 264-274.

49. Баженов, Ю. В. Лазерные пучки с винтовыми дислокациями волнового фронта / Ю. В. Баженов, М. В. Васнецов, М. С. Соскин // Письма в ЖЭТФ. 1990. - т. 52. - вып. 8. - С. 1037-1039.

50. Друде, П. Оптика / П. Друде. М.-Л.: ОНТИ, 1935.-462 с.

51. Kuhn.W. Optical rotatory power / W. Kuhn Ann.Rev.Phys.Chem. 1958. -v.9. - P. 417-438.

52. Китайгородский, А. И. Молекулярные кристаллы / А.И. Китайгородский. M.: Наука, 1971.-424 с.

53. Chandrasekhar, S. Optical rotatory dispersion of crystals / S. Chandrasekhar //Proc.of the Royal Soc.A. 1961. V.259. -№ 1299. -P. 531-553.

54. Glazer, A. M. On the Origin of Optical Activity in Crystal Structures / A. M. Glazer, K. Stadnicka // J. Appl. Cryst. 1986. - V. 19. - P. 108-122.

55. Vishin, V. Note on the interpretation of the experimental data of the optical activity in crystals / V. Vishin, V. Janku //Opt. Comm. 1971. V. 3. - № 5. - P. 305-309.

56. Ramachandran, G. N.//Proc. Indian Acad.Sci. 1951a. V.33. - P. 217-227.

57. Калитеевский, H. И. Волновая оптика / H. И. Калитеевский. Учеб. пособие для ВУЗов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1995. - 463 с.

58. Желудев, И. С. Физика кристаллов и симметрия / И. С. Желудев. — М. : Наука, 1987.-192 с.

59. Блисталлов, А. А. Акустические кристаллы. Справочник / А. А. Блистал-лов, В. С. Бондаренко, В. В. Чкалова / Под ред. М. П. Шаскольской. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982. — 632 с.

60. Ахманов, С. А. Физическая оптика / С. А. Ахманов, С. Ю. Никитин. — М.: Изд-во Московского ун-та, 1998. 656 с.

61. Кизель, В. А. Гиротропия кристаллов / В. А. Кизель, В. И. Бурков. — М. : Наука, 1980. 304 с.

62. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Под редакцией В. А. Панова. JI.: Машиностроение, 1980. 742 с.

63. Гурзадян, Г. Г. Нелинейно-оптические кристаллы. Свойства и применение в квантовой электронике / Г. Г. Гурзадян, В. Г. Дмитриев, Д. Н. Нико-госян. М.: Радио и связь, 1991. - 98 с.

64. Никогосян, Д. Н. Кристаллы для нелинейной оптики / Д. Н. Никогосян, Г. Г. Гурзадян // Квантовая электроника. 1987. - т. 14. - № 8. - С. 15291536.