Оптические явления в кристаллах, наблюдаемые в сходящемся поляризованном свете.

Исследование кристаллов в сходящемся поляризованном свете позволяет определить ориентиров­ку кристалла, его оптическую индикатрису, измерить угол оптических осей, оптический знак, дис­персию оптических осей, вращение плоскости поляризации, коэффициент электрооптического эф­фекта.

Оптическая система для метода наблюдаемого в сходящемся поляризованном свете, или так назы­ваемого коноскопического метода, дана на рис. 5. Лучи света от протяженного источника И проходят через поляризатор П и затем через конденсор 1, после чего попадают кристалл К_р, а затем фокуси­руются фокальной плоскости конденсора II проходя через анализатор. При этом внутри кристалла по любому направлению в пределах определенного угла сходимости лучей пойдет достаточно широ­кий пучок параллельных лучей, а не один луч, как было бы, если бы источник света был точечным. Вдоль главной оси оптической системы идет центральный пучок света, а остальные наклонены к этой оси под углами, тем большими, чем дальше от центра поля зрения выходит этот пучок.

Каждый луч такого пучка разделяется в кристалле на два луча, поляризованных во взаимно пер­пендикулярных направлениях и имеющих разные скорости (рис. 6). Разность фаз 8 между этими лу­чами на выходе из кристалла равняется

Рисунок 6. Схема разделения луча света в кристалле на два луча, плоскости поляризации которых определяется сечениями оптической индикатрисы кристалла (сам кристалл не показан)

Рисунок 7. Сечение оптической индикатрисы в различных лучах сходящегося пучка света.

где d-толщина кристаллической пластинки, n’ и n’’ - показатели преломления каждого из лучей, β- угол наклона дан­ного пучка света к оси оптической системы (рис. 7).

Каждый параллельный пучок пройдя через кристалл и объектив (конденсор I ), сходится в некото­рой точке фокальной плоскости объектива и создает в этой точке интерференционную окраску, соот­ветствующую разности хода лучей в направлении данного пучка. Совокупность таких точек дает в фокальной плоскости объектива интерференционную картину, вид которой определяется разностями хода и направлениями колебаний в световых пучках, прошедших через исследуемую пластинку.

Картины интерференции, наблюдаемые при исследовании кристаллов в сходящемся поляризован­ном свете, называются коноскопическими фигурами. Коноскопические фигуры состоят из изогир и изохром. Изогирами называются темные полосы, все точки которых соответствуют тем направлени­ям в кристалле, по которым распространяются лучи с плоскостями колебании, параллельными плоскостям поляризации окрещенных николей. Изохорами называются полосы различных интерфе­ренционных цветов, каждая из которых соответствует тем по правлениям в кристалле, в которых оп­тическая разность хода одинакова. Изохромы видны только при достаточно больших разностях хода δ>>λ (λ —длина волны).

Вид картины интерференции зависит от симметрии, ориентировки и толщины кристалла, от величины его двупреломления и апертуры объектива (рис. 8).

Рисунок 8. Коноскопические картины одноосного (верхний ряд) двуосного (нижний ряд) при малой (а), средней (б) и большой (в) апертурах объектива.

Рисунок 9. Изменение наблюдаемой коноскопической картины при вращении пластинки в случае, когда сечение одноосного кристалла наклоненного к его оптической оси.

Если пластина из одноосного кристалла вырезана перпендикулярно оптической оси, то при скрещен­ных николях в сходящемся белом свете наблюдается черный крест изогир и цветные концентриче­ские кольца изохром (в монохроматическом свете изохромы видны как черные кольца); если повер­нуть николи, поставив их в параллельное положение, то вместо черного креста виден крест белый, а цвета колец меняются на дополнительные.

Чем сильнее двупреломление кристалла и чем толще пластина одноосного кристалла, тем больше колец изохром можно наблюдать при одном и том же увеличении оптической системы и при данной апертуре объектива. В случае кристаллов со слабым двупреломлением и в тонких пластинках уже первое кольцо (изохрома) оказывается за пределами поля зрения и в поле зрения наблюдается только темный крест.

Коноскопическая картина пластинки одноосного кристалла (тригонального, тетрагонального или гексагонального), вырезанной точно перпендикулярно оптической оси, не изменяется и не переме­щается в поле зрения при вращении пластинки. Черный крест изогир остается в центре ноля зрения. Если же наблюдать пластинку, вырезанную под углом к оптической оси, то крест изогир кажется смещенным, а при вращении пластинки он описывает круг около центра поля зрения (рис. 9).

Коноскопическая картина двуосного кристалла, вырезанного перпендикулярно острой биссектри­се, состоит из цветных изохром типа овалов и двух черных изогир в виде гипербол; в центре поля зрения изохромы образуют фигуры типа восьмерок (рис. 10). При повороте столика микроскопа на угол 45° изогиры соединяются в темный крест, одна ветвь которого проходит по плоскости оптиче­ских осей, а другая ей перпендикулярна (рис. 11).

Наблюдение коноскопической картины в сходящемся поляризованном свете используется для отыскания ориентировки кристаллов в тех случаях, когда кристалл не имеет кристаллографической огранки. Центр темного креста в одноосном кристалле или выход острой биссектрисы в двуосном непосредственно указывает ориентировку оптической индикатрисы, а значит, и главных элементов симметрии в кристалле.

Для тонких пластинок пользуются поляризационным микроскопом и установленным на нем сто­ликом Федорова, который дает возможность поворачивать исследуемую пластинку в любом направ­лении, отсчитывая угол поворота по лимбу.

Для быстрого определения ориентировки кристаллических затравок при выращивании кристаллов или выращенных немногогранных кристаллов без нарушения их целостности применяют мелкие стеклянные полусферы (микроконоскопы), которые дают возможность рассматривать наблюдаемый участок кристалла в сходящемся свете без поляризационного микроскопа.

Кроме того, существуют специальные приборы — конометры и коноскопы - для определения ори­ентировки прозрачных кристаллов по коноскопическим картинам.

Рисунок 10. Коноскопическая картина двуосного кристалла в сечении, перпендикулярном острой биссектрисе.

Рисунок 11. То же, что на рис.10, но кристаллическая пластинка повернута на 45⁰ (по отношению к оптической оси микроскопа).

Следует отметить, что вне ветвей гиперболы появятся обратные окраски, так как в пространстве, расположенном вне ветвей гиперболы, направления колебаний волны сменяются ортогональными и там, и там где располагаются колебания волны с максимальной скоростью, расположатся колебания волны с наименьшей скоростью и наоборот. Это объясняется тем, что пространство, расположенное вне вершин гиперболы является областью, относящейся к тупому углу между оптическими осями, а там, естественно, условия оптического знака будут обратные условию для острой биссектрисы.

Пользуясь пластинкой, вырезанной перпендикулярно к острой биссектрисе, можно также опреде­лить величину угла оптических осей, если угол не очень велик и это допускает апертура объектива. Если известен угол оптических осей, измеренный в воздухе 2Е, то можно вычислить истинный угол между осями 2V. Действительно, пусть лучи в кристалле, идущие по направлениям ОА и ОВ, совпа­дают с направлениями оптических осей (рис. 12). Тогда угол между АС и ВD равный 2Е, и есть угол оптических осей. В воздухе лучи ОВ и ОА пойдут по направлениям АС и ВD, и угол 2Е будет види­мым в воздухе углом оптических осей. Половины этих улов связанна между собой законом преломления: . Если известны Е и V, можно определить n_m.

Измерение видимого угла оптических осей 2Е приближенно можно сделать, измеряя окулярным микрометром расстояние между вершинами гиперболы на интерференционной фигуре, характерной для разреза, перпендикулярного к острой биссектрисе. Половина этого расстояния может быть при­нята равной синусу Е, половины угла между оптическими осями, помноженному на некоторый ко­эффициент k, зависящий от оптической системы микроскопа. Исключить это коэффициент можно путем измерения величины k для кристалла, обладающего известным углом оптических осей, кото­рый может быть измерен более точным методом. Тогда D=k sinE, D’=k sinD, sinE=(D/D’)/sinE’ Такая пропорциональность справедлива лишь для близких по величине уг­лов оптических осей, а для сильно расходящихся углов ошибка может Достигать 10-12°.

Таким образом, для измерения угла оптических осей указанным методом необходимо иметь хотя бы оду эталонную пластинку из кристалла с известным углом между оптическими осями. Чаще всего применяется для этой цели пластинка из белой слюды, в которой легко измерить угол оптических осей более точным методом.

Рисунок 12

Определение «осности» кристаллов и оптического знака кристаллов коноскопическим методом

Для наблюдения интерференционной фигуры тонкого препарата кристалла в сходящемся свете нужно ввести линзу Лазо и поднять ее, как можно выше, чтобы она была, по возможности, под самым препаратом.

Диафрагмы над и под поляризатором должны быть открыты, как можно шире. Наблюдение ведется в скрещенных николях со включенной линзой

РРис. . Схема движения в поле зрения балки интерференционной фигуры

одноосного кристалла, при вращении столика микроскопа.

Бертрана. Более мелкая, но зато более четкая фигура получается, если удалить окуляр и выключить линзу Бертрана. В обоих случаях мы видим не самый кристалл, а интерференционную картину, получающуюся в фокусе объектива.

Хорошую интерференционную фигуру в сходящемся свете удается видеть только в том случае, когда размер зерна достигает, по крайней мере, 1/4 поля зрения и когда в поле зрения нет других зерен.

Если оптическая ось одноосного кристалла не попадает в поле зрения, то при вращении видно, как темная ветвь креста (балка) движется параллельно вертикальной нити окуляра (рис. ,а) до исчезновения (рис. , с). Вслед за этим появляется вторая ветвь, движущая вниз параллельно горизонтальной нити (рис. ,d,e)

Знак одноосной индикатрисы определяется удобнее всего в разрезах, перпендикулярных оптической оси. На рис. ,а схематически показана интерференционная фигура одноосного положительного кристалла, на рис. , - отрицательного. Вблизи центра темного креста указана ориенти­ровка эллиптических сечений индикатрисы для лучей, идущих наклонно к оптической оси. Если в прорез тубуса вдвинуть гипсовую пластинку, которая при ортоскопическом наблюдении дает в скрещенных николях красный цвет первого порядка (ориентировка эллипсоида на ней указана), то лег­ко видеть, что в I и III квадратах для случая, а наложение осей будет согласным, т.е. произойдет повышение интерференционной окраски. В квадратах II и IV большая ось эллиптического сечения индикатрисы кристалла совпадает с меньшей осью индикатрисы гипсовой пластинки (несогласное наложение), а поэтому при исследовании тонких препаратов будет наблюдаться понижение интерференционной окраски.

Рис. . Определение знака у одноосных кристаллов.

Гипсовая пластинка, в слу­чае незначительного увеличения разности хода, изменяет фиолетовый цвет на синий, а в случае незначительного уменьшения - на желтый. Итак, расположение цветов вблизи темного креста будет следующим: в случае поло­жительного одноосного кристалла, квадраты I и III будут окрашены в синий цвет, а квадраты II и IV - в желтый (рис. ,с), в случае же отрицатель­ного кристалла (рис. , d) расположение цветов будет обратным. Если препарат толст или двупреломление кристалла велико, то цветных колец на интерференционной фигуре будет много. В этом случае пользоваться гип­совой пластинкой неудобно, так гак при большом изменении разности хода трудно заметить, куда именно переместились интерференционные кольца. Здесь следует воспользоваться кварцевым клином или тонкой слюдяной плас­тинкой (1/4 λ). Вдвигая клин в прорезь тубуса микроскопа (рис. , е -направление движения указано большой стрелкой), мы увидим, как кольца, в случае положительного кристалла, будут передвигаться в I и II квадратаx от периферии к центру, а во II и IV квадратах от центра к периферии. В случае отрицательной индикатрисы направление движения колец будет противоположным (рис. , f).

Рис. . Схема движения в поле зрения ветви гиперболы интерференционной фигуры двуосного кристалла, при вращении столика микроскопа.

Прежде, чем определить знак эллипсоида, нужно дать себе отчет в ориентировке индикатрисы у компенсатора (гипсовая пластинка, клин и т.п.), и если ориентировка индикатрисы в компенсаторе обратна указанной на чертежах, то и наблюдающаяся картина тоже будет обратной. Это относится, в частности, к компенсатору Берека, где большая ось индикатрисы располагается по длине компенсатора.

Интерференционные фигуры в сходящемся свете двуосных крис­таллов были описаны выше. По форме интерференционных фигур, а также и потому, что в косых разрезах двуосной кристаллов ветви гиперболы передвигаются не параллельно нитям окулярного креста (рис. ), уда­ется легко отличить одноосные кристаллы от двуосных.

Знак двуосной индикатрисы определяется в разрезах, перпендикулярных острой биссектрисе или перпендикулярных к оптической оси. В обоих слу­чаях поворачиваем столик так, чтобы плоскость оптических осей была под углом в 45° к направлению колебаний в николях, и вдвигаем гипсовую плас­тинку.

На рис. показано расположение сечений индикатрисы на выпуклой и вогнутой сторонах ветви гиперболы: а) для двуосного положительного и б) для двуосного отрицательного кристаллов. На рис. ,с, d, показано для этих же случаев расположение цветов после введения гипсовой пластинки. Если вместо гипсовой пластинки пользоваться кварцевым клином, то при его вдвигании цветные линии, в случае положительной индикатрисы, будут двигаться, как показано на рис. ,е, т.е. от оптической оси в сторону вогнутости гиперболы к периферии поля зрения и от периферии ц центру поля зрения в квадратах, в которых нет оптических осей. Обратное движе­ние линий будет наблюдаться в случае отрицательной двуосной индикатри­сы (рис. ,f). Из вышесказанного ясно, как отличить одноосные крис­таллы от двуосных.

Надо указать еще на отличие оптически изотропных кристаллов от ани­зотропных, т.е. кристаллов кубической сингонии от всех остальных. Ку­бические кристаллы характеризуются отсутствием двойного лучепреломления, Если в препарате имеются зерна, которые при вращении между скрещенными николями остаются темными, то могут быть два случая:

1. либо это произвольный разрез кристалла кубической сингонии,

2. либо - изотропией разрез оптически анизотропного кристалла.

Рис. . Определение знака у двуосных кристаллов.

Если удалось получить интерференционную картину, то кристаллы анизотропны; в противном случае кристаллы принадлежат к кубической сингонии.