Измерение показателей преломления оптических кристаллов

 

Метод Обреимова относится к числу иммерсионных, основанных на использовании явления исчезновения видимости контуров стекла, погруженного в жидкость. Это явление наблюдается при той длине волны монохроматического света, для которой показатели преломления жидкости и стекла одинаковы.

Метод Обреимова реализуют с помощью устройства (рисунок 5), основными элементами которого являются монохроматор с выходной щелью 1, кювета 2 с жидкостью и лупа 5. В кювету наливают жидкость приблизительно с таким же показателем преломления, как и у контролируемого стекла.

 

Рисунок 5 - Схема устройства для измерения показателя преломления методом Обреимова [2]

 

Основное  отличие метода Обреимова от других иммерсионных методов заключается в том, что момент наступления равенства показателей преломления стекла и жидкости устанавливается с очень высокой точностью по интерференционным явлениям, возникающим у контуров стекла, помещенного в жидкость. Метод Обреимова не требует специально изготовленных образцов и позволяет измерить показатели преломления небольших осколков стекла, линз с неизвестными радиусами, призм и т. п [2].

 

2 Измерение показателей преломления оптических кристаллов

 

Оптические  кристаллы нашли широкое применение в оптикомеханической промышленности. В отличие от оптического стекла, кристаллы обладают высокой прозрачностью в ультрафиолетовой и инфракрасной областях. В оптическом приборостроении наиболее часто применяют искусственные кристаллы кубической сингонии, отличающиеся от естественных однородностью и отсутствием двойного лучепреломления [3].

Основным  преимуществом кристаллов по сравнению  с другими видами материалов является многообразие их физических и механических свойств. Многие кристаллы прозрачны в широких участках спектра, а значения показателей преломления и дисперсии изменяются в кристаллах значительно сильнее, чем в оптических стеклах. Многие кристаллы имеют высокое значение температуры плавления, что позволяет использовать их в качестве термостойких материалов.

Основное  отличие кристаллической среды  от сред, подобных оптическому стеклу, заключается в явлении двойного лучепреломления. Это явление вызвано различием в скорости распространения света в кристалле для двух световых волн, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях. С оптической точки зрения анизотропия среды характеризуется различной по разным направлениям способностью среды реагировать на действие падающего света. Показатель преломления, а следовательно, и скорость света зависят от направления распространения световой волны и ее плоскости поляризации.

В одноосных  кристаллах существует только одно направление, вдоль которого не наблюдается двойное лучепреломление; в двуосных кристаллах таких направлений два. Эти направления называются оптическими осями. В самом общем случае кристалл имеет две оптические оси, угол между которыми зависит от свойств кристаллов. Исследование оптических свойств кристаллов и измерение их оптических констант представляет собой обширную область кристаллооптики.

Для измерения  показателей преломления кристаллов в основном применяют те же методы и приборы, что и для оптического стекла, однако при измерении кристаллов существуют и некоторые особенности, связанные главным образом с ориентированием кристалла в измерительном приборе. Рассмотрим эти особенности для основных методов измерения показателя преломления: гониометрического, рефрактометрического и метода Обреимова [2].

 

 

2.1 Гониометрический метод

 

Для этого  метода из исследуемого кристалла необходимо изготовить трехгранную призму, у  которой две боковые грани  являются рабочими и поэтому должны быть полированными. Если исследуемый  кристалл оптически изотропен, то призма может иметь любое кристаллографическое ориентирование. Для измерения показателей преломления одноосных кристаллов призма должна быть ориентирована так, чтобы ребро, по которому пересекаются полированные грани, было параллельно оптической оси кристалла. При таком ориентировании призмы можно непосредственно измерить показатель преломления кристалла для обыкновенных и необыкновенных лучей наиболее точным методом наименьшего отклонения.

Призму  из двуосного кристалла изготовляют  так, чтобы ее преломляющее ребро  было параллельно одной из осей индикатрисы, и одна из плоскостей симметрии индикатрисы делила пополам угол между полированными гранями. На такой призме методом наименьшего отклонения можно измерить два главных показателя преломления кристалла. Для измерения третьего показателя преломления нужно изготовить вторую призму, ориентированную подобным же образом, но с иным расположением осей или плоскостей симметрии индикатрисы.

Методика  измерений показателей преломления  кристалла методом наименьшего отклонения аналогична рассмотренной выше для оптического стекла. Отличие заключается в том, что при измерениях в монохроматическом свете наблюдают два изображения щели коллиматора. Одно из этих изображений образовано лучами с колебаниями, параллельными ребру призмы, другое — с колебаниями, перпендикулярными к нему. Измеряя угол наименьшего отклонения последовательно для каждого изображения щели, определяют соответствующий показатель преломления кристалла [2].

 

 

2.2 Рефрактометрический метод

 

Измерения показателей преломления кристаллов рефрактометрическим методом основаны на использовании явления полного внутреннего отражения и осуществляются на специальных приборах — кристаллах-рефрактометрах [2].

Более простым  и удобным является метод предельного  угла полного внутреннего отражения, осуществляемый с помощью кристаллорефрактометра типа Аббе, оптическая схема которого приведена на рисунке 6.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6 - Схема кристаллорефрактометра типа Аббе для измерения показателя преломления оптических кристаллов [3]

 

Кристаллорефрактометр состоит из полушаровой линзы 3 с полированной плоской поверхностью, закрепленной на вертикальной оси 7 с горизонтальным лимбом, зрительной трубы 6 с вертикальным лимбом и осветителя 1—2 с монохроматическим источником 1 и конденсором 2. Для создания телецентрического хода лучей перед объективом зрительной трубы установлена плосковогнутая линза 5 с радиусом кривизны поверхности, равным радиусу полушаровой линзы, образующая вместе с полушаровой линзой призму с переменным преломляющим углом Θ. Плосковогнутая линза соединена со зрительной трубой и вращается одновременно с нею. Полушаровая и плосковогнутая линзы изготовлены из одной марки стекла с большим показателем преломления (около 1,8). Плоская полированная поверхность полушаровой линзы занимает строго перпендикулярное положение к вертикальной оси вращения, угол поворота которой может быть отсчитан по горизонтальному лимбу. Горизонтальная ось вращения зрительной трубы с плосковогнутой линзой совмещена с центром кривизны полушаровой линзы.

Перед измерениями  полированную поверхность испытуемого образца 4 смачивают каплей иммерсионной жидкости и накладывают на плоскую поверхность полушаровой линзы. Пучок монохроматических лучей направляют через сферическую поверхность на центр полушаровой линзы и контактирующую с ней поверхность испытуемого образца. Лучи, которые падают на образец под углами, превышающими предельный угол, отражаются от его поверхности, а под углами, меньше предельного, проходят через образец. В зрительную трубу наблюдают поле зрения, разделенное на темную и светлую части. Линия между светлым и темным частями поля соответствует границе предельного угла ε₁, на которую и наводят перекрестие трубы.

Показатель  преломления n образца

 

n = n₀ sin ε₁,    (10)

 

где n₀ – показатель преломления стекла полушаровой линзы, а ε₁ – предельный угол [3].

 

 

2.3 Метод Обреимова

 

Для измерения  показателей преломления кристаллов этим методом поляризатор устанавливают  перед кюветой, за кюветой необходимо установить анализатор. Если исследуемый кристалл двуосный, то для измерения трех главных показателей преломления он должен быть закреплен в ориентированном положении так, чтобы одна из осей его индикатрисы была параллельна стержню держателя. Ориентирование кристалла должно выполняться заранее, например, с помощью столика Федорова или конометра. При измерении показателей преломления одноосных кристаллов ориентирование не требуется.

После установки  кристалла в кювете необходимо поляризатор и анализатор ориентировать так, чтобы плоскости поляризации были взаимно перпендикулярны, что проверяют по погасанию света. Удалив поляризатор, наблюдают вертикальные участки кристалла при вращении барабана монохроматора. В момент равенства показателей преломления кристалла и жидкости светлая полоска переходит через край кристалла, причем край, обычно кажущийся темным, в этот момент светлеет.

Метод Обреимова обеспечивает высокую точность измерений. Экспериментальные проверки точности метода Обреимова на кристаллах показали, что погрешности при измерении обыкновенного показателя преломления кристалла не превышают 10^-4, при измерении необыкновенного показателя преломления погрешности меньше 2*10^-4 [2].

 

 

Заключение

 

В настоящее  время существует множество различных  методов измерения показателя преломления оптических кристаллов. Эта ветвь развития оптотехники развивается давно и достигла определенных успехов. Каждый из методов подходит для своей области применения.

Измерение показателей преломления и дисперсии  оптических материалов в невидимых  областях спектра (ультрафиолетовой и  инфракрасной) в основном выполняется  гониометрическими методами. Особенности измерения заключаются в том, что в качестве источников излучения используются такие источники, в спектре которых содержатся излучения необходимых длин волн (например, искра Милликена и импульсные капиллярные источники для ультрафиолетовой области спектра, электрические лампы накаливания, штифт Нернста, силитовый излучатель для инфракрасной области спектра). Приемники излучения должны быть чувствительны к излучению тех длин волн, для которых осуществляется измерение, а оптическая система прибора должна быть прозрачна для соответствующего диапазона длин волн. Исходя из этих соображений, в оптических системах приборов для измерения показателя преломления в невидимых областях спектра используют в основном зеркальные оптические элементы, а регистрацию измерительного сигнала выполняют фотоэлектрическим методом. Научные принципы измерения практически остаются теми же, что и для видимой области спектра [2].

 

СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Ефремов А. А., Сальников Ю. В. Изготовление и контроль оптических деталей: Учеб. пособие для средних проф.-техн. училищ. – М.: Высш. шк., 1983. – 255 с.
2. Креопалова Г. В., Лазарева Н. Л., Пуряев Д. Т. Оптические измерения: Учебник для вузов по специальностям «Оптико-электронные приборы» и «Технология оптического приборостроения» / Под общ. ред. Д. Т. Пуряева. – М.: Машиностроение, 1987. – 264 с.
3. Афанасьев В. А. Оптические измерения: Учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1981. – 229 с.