14.4.2. Компенсаторы.

Кристаллическое вещество можно также использовать для исследования эллиптически поляризованного света, т. е. для определения направления осей его эллипса поляризации и отношения их длин. Для этой цели применяется кристаллическая пластинка из подходящего материала нужной толщины. С ее помощью вводится разность фаз между колебаниями в двух взаимно ортогональных направлениях. В частности, можно ввести такую разность фаз, чтобы преобразовать эллиптически поляризованный свет в линейно поляризованный. Требующаяся информация об эллиптически поляризованном свете получается тогда из анализа этого линейно поляризованного света. Такой прибор называется компенсатором, так как его функция состоит в компенсации разности фаз.

а. Четвертьволновая пластинка. Рассмотрим плоскопараллельную кристаллическую пластинку толщиной Пусть ось перпендикулярна к пластинке, а направления осей совпадают с направлениями соответствующих колебаний вектора Предположим, что пластинка поворачивается вокруг нормали до тех пор, пока оси х и у не станут параллельными главным осям поляризации падающего света. Тогда компоненты вектора для падающего света молено записать в виде

Поскольку скорости обоих лучей различны, изменения фаз компонент при прохождении через пластинку будут неодинаковыми. Пренебрегая потерями на отражение, можно записать компоненты вектора для света, выходящего из пластинки, в виде

где

а - длина волны вакууме. Следовательно, вносимая пластинкой разность фаз равна

В частности, если прошедший свет линейно поляризован, мы должны получить или в более общем случае где — любое целое число При этом пластинка должна иметь толщину

При наличии такого компенсатора направление колебаний в прошедшем линейно поляризованном светс определяется соотношением

Компенсатор, вносящий разность фаз т. е. такой, для которого разность двух оптических толщин составляет четверть волны, называется четвертьволновой пластинкой [20]. Ее легко изготовить из листочка слюды (двухосный кристалл), расщепленной до толщины

С помощью такой пластинки можно следующим образом анализировать эллиптически поляризованный свег пучок свега пропускают через четвертьволновую пластинку, а затем через призму Николя, и оба кристалла независимо друг от друга поворачивают до тех пор, пока ноле, наблюдаемое через призму Николя, не станет совсем темным. В этом положении оси слюдяной пластинки параллельны осям эллипса поляризации падающего света, а призма Николя, согласно (6), расположена так, что она гасит линейно поляризованный свет, вектор которого составляет с осью х угол Таким образом, определяют ориентацию осей эллипса и их отношение.

Если падающий свет поляризован по кругу, то или а прошедший свет линейно поляризован, причем направление вектора составляет с осью х соответственно углы или 135°. Первый из углов соответствует левой, второй — правой поляризации.

Так как толщина четвертьволновой пластинки зависит от X, точная компенсация возможна только для монохроматического света одной определенной длины волны. Для достижения компенсации в случае света любой заданной длины волны следует использовать не одну плоскопараллельную пластинку, а клип или комбинацию клиньев Рассмотрим некоторые компенсаторы такого типа.

б Компенсатор Бабине. Компенсатор, разработанный Бабине позволяет получить любые разности фаз в том числе и нулевые. Он состоит из двух кварцевых клиньев (положительный одноосный кристалл) с одинаковыми острыми углами. Клинья расположены так, как показано на рис 14 18, и могут смещаться вдоль плоскости соприкосновения, образуя, таким образом, параллельную пластинку варьируемом толщины. В одном из клдньев оптическая ось параллельна, в другом — перпендикулярна ребру.

Рис. 14.18. Компенсатор Бабине.

Пусть — показатели преломления кварца для обыкновенного и необыкновенного лучей, — толщины двух клиньев в некоторой определенной ючке После прохождения обеих клиньев разность фаз между лучами становится равной

Легко понять, почему в это выражение входит разность толщин. В самом деле, скорость луча, для которого направление колебаний вектора перпендикулярно к главной оси (обыкновенный луч), превышает скорость необыкновенного луча. Поэтому компонента, в которой направление колебаний перпендикулярно к ребру клина, будет опережать вторую компоненту в одном клипе и отставать в другом. Толщины А, и а следовательно, и разность непрерывно меняются, если точка падения света движется вдоль пластинки, причем равно нулю в середине. В результате получится серия линий, где прошедший свет будет линейно поляризован и, значит, его можно погасить путем соответствующей ориентации призмы Николя.

Если выбрать ось х параллельно ребру клина, то эллиптическую поляризацию падающего света можно представить следующим образом:

Поляризация света, прошедшего через компенсатор, записывается в виде

где

Для линейной поляризации выходящего света необходимо, чтобы

т. е.

Направление колебаний при этом определяется соотношением

Предположим вначале, что призма Николя помещена перед компенсатором, так что на компенсатор падает линейно поляризованный свет. Тогда и если за компенсатором следует анализатор, скрещенный с поляризующей призмой Николя, то появятся темные полосы, идущие параллельно ребру клина через точки, для которых правая часть уравнения (11) кратна . Эти темные полосы определяют нулевое положение. Если теперь исследовать эллиптически поляризованный свет только посредством компенсатора и анализатора, то смещение темных полос от нулевого положения сразу же определит разность фаз — для падающего света. Величину отношения компонент параллельной и перпендикулярной ребру, можно найти из ориентации анализатора, используя (12). Эти данные позволяют с помощью формул, приведенных в п. 1.4.2, определить положение главных осей эллипса поляризации и их отношение.

в. Компенсатор Солейля. В некоторых случаях необходимо создавать разность фаз (положительную, отрицательную или нулевую), остающуюся постоянной во всем поле зрения. Этого можно достичь с помощью компенсатора, разработанного Солейлем 122]. Он состоит из двух кварцевых клиньев Л и А, которые, как и в случае компенсатора Бабине, образуют плоскопараллельную пластинку, по с тем отличием, что оптические оси обоих клиньев параллельны ребрам. Нижний клин склеен с плоскопараллельной кварцевой пластинкой В, оптическая ось которой перпендикулярна к ребру клина (рис. 14.19). Эффективная оптическая разность хода, которую вносит этот компенсатор между двумя лучами, очевидно, равна . В нулевом положении, когда эта разность исчезает, все поле зрения можно сделать темным

при помощи соответствующим образом ориентированного анализатора. Эффективную оптическую разность хода можно изменять, смещая верхний клин, но для каждого положения разность хода остается постоянной по всему нолю.

Анализ эллиптически поляризованного света проводится примерно так же, как и с помощью компенсатора Бабине.

Рис. 14.19. Компенсатор Солейля.

г. Компенсатор Берет. Берск разработал компенсатор, используемый в биологической микроскопии (например, для измерения разностей хода в нитях двоякопреломляющих материалов). Он состоит из пластины одноосного кристаллического вещества с оптической осью, перпендикулярной к граням пластины. Разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами вводится путем наклона пластины. Ее монтируют так, что она может поворачиваться с помощью проградуированного диска, который калибруется прямо в единицах вносимой разности хода.